Stappenmotoren Uitgelegd: Typen, Constructie, Werking & Toepassingen

Typen Stappenmotoren – Hun Constructie, Werking en Toepassingen

De uitvinding van speciale stappenmotordriverkaarten en andere digitale bedieningstechnologieën voor het koppelen van een stappenmotor aan pc-gebaseerde systemen is de reden voor de wijdverspreide acceptatie van stappenmotoren in de laatste tijd. Stappenmotoren zijn de ideale keuze voor automatiseringssystemen die nauwkeurige snelheidsregeling of nauwkeurige positionering of beide vereisen.

Zoals we weten, worden veel industriële elektricemotoren met gesloten-lus terugkoppeling gebruikt voor nauwkeurige positionering of snelheidsregeling. Aan de andere kant kan een stappenmotor werken met een open-lus controller. Dit verlaagt de totale systeemkost en vereenvoudigt het machine-ontwerp vergeleken met servosysteem-bediening. Laten we kort bespreken wat een stappenmotor en zijn typen is.

• Gerelateerd: Servomotor – Typen, Constructie, Werking & Toepassingen

Wat is een Stappenmotor?

Een stappenmotor is een borstelloos elektromechanisch apparaat dat een reeks elektrische pulsen, toegepast op de opwekkingswindingen, omzet in precies gedefinieerde stap-voor-stap mechanische asrotatie. De as van de motor roteert door een vaste hoek voor elke discrete puls. Deze rotatie kan lineair of hoekmatig zijn. Het krijgt één stapbeweging voor een enkele pulsinput.

Wanneer een reeks pulsen wordt toegepast, draait het door een bepaalde hoek. De hoek waarlangs de stappenmotoras draait per puls wordt de staphoek genoemd, meestal uitgedrukt in graden.

Het aantal invoerpulsen dat aan de motor wordt gegeven, bepaalt de staphoek en dus de positie van de motoras. Deze unieke eigenschap maakt de stappenmotor zeer geschikt voor open-lus regelsystemen waarbij de nauwkeurige positie van de as wordt gehandhaafd met het exacte aantal pulsen zonder een terugkoppelingssensor.

Als de staphoek kleiner is, is het aantal stappen per omwenteling groter en is de nauwkeurigheid van de verkregen positie hoger. Staphoeken kunnen zo groot zijn als 90 graden en zo klein als 0,72 graden; de meest gebruikte staphoeken zijn echter 1,8 graden, 2,5 graden, 7,5 graden en 15 graden.

De rotatierichting van de as hangt af van de volgorde van pulsen die aan de stator worden toegepast. De snelheid van de as of de gemiddelde motorsnelheid is recht evenredig met de frequentie (het tempo van invoerpulsen) van de invoerpulsen die aan de opwekkingswindingen worden toegepast. Daarom, als de frequentie laag is, roteert de stappenmotor in stappen; bij hoge frequentie roteert het continu als een DC-motor door inertie.

Als alle elektricemotoren heeft het een stator en een rotor. De rotor is het bewegende deel zonder windingen, borstels en kommutator. Meestal zijn rotoren van het variabele-reluctantie- of permanentmagneettype. De stator is vaak samengesteld uit multipole en meervoudige fasenwindingen, meestal drie of vier fasenwindingen gewonden voor een vereist aantal polen bepaald door de gewenste hoekverplaatsing per invoerpuls.

In tegenstelling tot andere motoren werkt het op geprogrammeerde discrete bedieningpulsen die aan de statorwindingen worden toegepast via een elektronische drive. De rotatie ontstaat door de magnetische interactie tussen de polen van achtereenvolgens geënergiseerde statorwindingen en de polen van de rotor.

Er zijn verschillende typen stappenmotoren beschikbaar op de markt in een wijd bereik van formaten, stapaantallen, constructies, bedrading, vertraging en andere elektrische kenmerken. Omdat deze motoren in discrete aard kunnen werken, zijn ze zeer geschikt om te koppelen met digitale bedieningsapparaten zoals computers.

Vanwege de nauwkeurige regeling van snelheid, rotatie, richting en hoekpositie, zijn ze van bijzonder belang in industriële procesregelsystemen, CNC-machines, robotica, productie-automatiseringssystemen en instrumentatie.

• Gerelateerd: Borstelloze DC-motor – Constructie, Werkingsprincipe & Toepassingen

Typen Stappenmotoren

Er zijn drie basiscategorieën stappenmotoren:

• Permanentmagneet Stappenmotor
• Variabele Reluctantie Stappenmotor
• Hybride Stappenmotor

In al deze motoren worden opwekkingswindingen in de stator gebruikt, waarbij het aantal windingen het aantal fasen aangeeft.

Een DC-spanning wordt als opwekking aan de spoelen van de windingen toegepast en elk windingseinde is via een solid-state schakelaar met de bron verbonden. Afhankelijk van het type stappenmotor, is de rotorontwerp geconstrueerd als een zachte staalrotor met uittredende polen, een cilindrische permanentmagneetrotor en een permanentmagneet met zachte staaltanden. Laten we deze typen in detail bespreken.

• U kunt ook lezen: Driefasemotor Aansluiting Ster/Driehoek (Y-Δ) Omgekeerd/Vooruit met Timer Vermogen & Bedieningsschema

Variabele Reluctantie Stappenmotor

Dit is het basis type stappenmotor dat al lang bestaat en de eenvoudigste manier biedt om het werkingsprincipe structureel te begrijpen. Zoals de naam doet vermoeden, hangt de hoekpositie van de rotor af van de reluctantie van het magnetische circuit gevormd tussen de statorpolen (tanden) en rotortanden.

Constructie van Variabele Reluctantie Stappenmotor

Het bestaat uit een gewonden stator en een zacht ijzeren multi-tand rotor. De stator heeft een stapel van siliciumstaallaminaties waarop de statorwindingen zijn gewonden. Meestal is het gewonden voor drie fasen, verdeeld over de poolparen.

Het aantal polen op de stator is een evenvoudige veelvoud van het aantal fasen waarvoor windingen op de stator zijn gewonden. In de onderstaande afbeelding heeft de stator 12 gelijkmatig verdeelde uittredende polen waar elke pool met een opwekkingsspoel is gewonden. Deze drie fasen worden geënergiseerd van een DC-bron met behulp van solid-state schakelaars.

De rotor draagt geen windingen en is van het uittredende pooltype, volledig gemaakt van geniate staallaminaties. De getanden van de rotorpolen hebben dezelfde breedte als die van de stator. Het aantal polen op de stator verschilt van dat op de rotor, wat de mogelijkheid geeft om zelfstartend en bidirectioneel te draaien.

De relatie van rotorpolen in termen van statorpolen voor een driefase stappenmotor is: Nr = Ns ± (Ns / q). Hier is Ns = 12, q = 3, dus Nr = 12 ± (12 / 3) = 16 of 8. Een 8-pool constructie rotor zonder opwekking is geïllustreerd.

Werking van Variabele Reluctantie Stappenmotor

De stappenmotor werkt op het principe dat de rotor zich in een bepaalde positie uitlijnt met de tanden van de opwekkingspool in een magnetisch circuit waarin een minimum reluctantiepad bestaat. Wanneer spanning aan de motor wordt toegepast en een bepaalde winding geëxciteerd wordt, produceert het een magnetisch veld en ontwikkelt het eigen magnetische polen.

Vanwege de residuele magnetisme in de rotormagnetpolen, zal dit de rotor laten bewegen naar een positie om de minimum reluctantiepositie te bereiken, waardoor één set polen van de rotor uitlijnt met de geënergiseerde set polen van de stator. In deze positie komt de as van het stator-magnetische veld overeen met de as door twee magnetische polen van de rotor.

Wanneer de rotor uitlijnt met de statorpolen, heeft het voldoende magnetische kracht om de as tegen te houden dat hij naar de volgende positie beweegt, in kloksgewijze of tegenkloksgewijze richting.

Overweeg het schematisch diagram van een 3-fase, 6 statorpolen en 4 rotortanden. Wanneer fase A-A' met een DC-spanning wordt gevoed door schakelaar-1 te sluiten, wordt de winding een magneet, resulterend in één tand als Noord en de ander als Zuid. De stator-magnetische as ligt langs deze polen.

Vanwege de aantrekkingskracht trekt de stator-spoel Noordpool de dichtstbijzijnde rotortand van tegenovergestelde polariteit, namelijk Zuid, en de Zuidpool trekt de dichtstbijzijnde rotortand van tegenovergestelde polariteit, namelijk Noord. De rotor past zich aan tot zijn minimum reluctantiepositie waar de rotor-magnetische as precies overeenkomt met de stator-magnetische as.

Wanneer fase B-B' geënergiseerd wordt door schakelaar-2 te sluiten, terwijl fase A-A' gede-energiseerd blijft door schakelaar-1 open te zetten, produceert winding B-B' de magnetische flux en verschuift de stator-magnetische as langs de daarmee gevormde polen. De rotor verschuift naar de minst reluctantiepositie gemagnetiseerde stator-tanden en roteert over een hoek van 30 graden in de kloksgewijze richting.

Wanneer schakelaar-3 geënergiseerd wordt na het openen van schakelaar-2, wordt fase C-C' geënergiseerd, de rotortanden lijnen zich uit met de nieuwe positie door een additionele hoek van 30 graden te bewegen. Op deze manier beweegt de rotor in kloksgewijze of tegenkloksgewijze richting door achtereenvolgens statorwindingen in een bepaalde volgorde te exciteren. De staphoek van deze 3-fase 4-pool rotortanden stappenmotor is: 360 / (4 × 3) = 30 graden (aangezien staphoek = 360 / Nr × q).

De staphoek kan verder worden verkleind door het aantal polen op de stator en rotor te verhogen; in dat geval worden motoren vaak gewonden met additionele fasenwindingen. Dit kan ook bereikt worden door een andere constructie van stappenmotoren zoals multistack-arrangement en reductietandwielmechanisme.

• U kunt ook lezen: Driefasemotor Aansluiting STAR/DELTA Zonder Timer Vermogen & Bedieningsschema's

Permanentmagneet Stappenmotor

Het permanentmagneet-ontwerp is misschien het meest voorkomende onder de verschillende typen stappenmotoren. Zoals de naam impliceert, voegt het permanentmagneten toe aan de motorconstructie. Dit type stappenmotoren wordt ook wel can-stack motor of tin-can motor genoemd. Het hoofdvoordeel is de lage productiekost. Dit type motor heeft 48-24 stappen per omwenteling.

Constructie Permanentmagneet Stappenmotor

In deze motor is de stator multipolaire en de constructie vergelijkbaar met die van de variabele reluctantie stappenmotor. Het bestaat uit een geniate periferie waarop statorspoelen zijn gewonden. Het heeft uittredende polen op de geniate structuur waar de gewonden windingen twee, drie of vier fasen kunnen zijn.

De rotor bestaat uit een permanentmagneetmateriaal zoals ferriet, dat in de vorm van een cilinder of uittredende pool kan zijn, maar meestal is het van het gladde cilindrische type. De rotor is ontworpen om een even aantal permanente magnetische polen te hebben met afwisselende Noord- en Zuidpolariteiten.

Werking van Permanentmagneet Stappenmotor

De werking van deze motor is gebaseerd op het principe dat ongelijke polen elkaar aantrekken en gelijke polen elkaar afstoten. Wanneer de statorwindingen met een DC-spanning worden geëxciteerd, produceren ze magnetische flux en vestigen Noord- en Zuidpolen. Vanwege de aantrekkings- en afstotingskracht tussen de permanentmagneet rotorpolen en statorpolen, begint de rotor te bewegen tot de positie waarvoor pulsen aan de stator worden gegeven.

Overweeg een 2-fase stappenmotor met twee permanentmagneet rotorpolen.

Wanneer fase A geënergiseerd wordt met een positieve stroom ten opzichte van A', vestigen de windingen Noord- en Zuidpolen. Vanwege de aantrekkingskracht lijnen de rotorpolen zich uit met de statorpolen zodanig dat de magnetische poolas van de rotor zich aanpast aan die van de stator.

Wanneer de opwekking wordt omgeschakeld naar B-fase en fase A wordt uitgeschakeld, past de rotor zich verder aan aan de magnetische as van fase B, en roteert zo 90 graden in de kloksgewijze richting.

Vervolgens, als fase A geënergiseerd wordt met een negatieve stroom ten opzichte van A', zorgt de vorming van statorpolen ervoor dat de rotor nog eens 90 graden in de kloksgewijze richting beweegt.

Op dezelfde manier, als fase B geëxciteerd wordt met negatieve stroom door fase A-schakelaar te sluiten, roteert de rotor nog eens 90 graden in dezelfde richting. Vervolgens, als fase A geëxciteerd wordt met positieve stroom, keert de rotor terug naar de oorspronkelijke positie, wat een volledige 360 graden omwenteling oplevert. Dit impliceert dat, telkens wanneer de stator geëxciteerd wordt, de rotor geneigd is om 90 graden in de kloksgewijze richting te draaien.

De staphoek van deze 2-fase 2-pool permanentmagneet rotor motor is: 360 / (2 × 2) = 90 graden. De stapgrootte kan worden verkleind door twee fasen simultaan te exciteren of een reeks van 1-fase AAN en 2-fase AAN modi met een juiste polariteit.

• U kunt ook lezen: Termen en Definities gerelateerd aan Motorbediening en -beveiliging

Hybride Stappenmotor

Dit is het meest populaire type stappenmotor omdat het betere prestaties levert dan de permanentmagneet rotor in termen van stapresolutie, vasthoudend moment en snelheid. Deze motoren zijn echter duurder dan PM-stappenmotoren. Het combineert de beste kenmerken van zowel variabele reluctantie als permanentmagneet stappenmotoren. Deze motoren worden gebruikt in toepassingen die zeer kleine staphoeken vereisen, zoals 1,5, 1,8 en 2,5 graden.

Constructie van Hybride Stappenmotor

De stator van deze motor is hetzelfde als zijn permanentmagneet- of reluctantietype tegenhanger. De statorspoelen zijn gewonden op afwisselende polen. In dit geval zijn de spoelen van verschillende fasen op elke pool gewonden, meestal twee spoelen per pool, wat aangeduid wordt als een bifilare verbinding.

De rotor bestaat uit een permanentmagneet die in axiale richting gemagnetiseerd is om een paar magnetische polen (N en S polen) te creëren. Elke pool is bedekt met gelijkmatig verdeelde tanden. De tanden zijn gemaakt van zacht staal en twee secties, waarvan elk op elke pool met een half tandverplaatsing ten opzichte van elkaar verschooven is.

• Gerelateerd: Waarom elektricemotoren in kW in plaats van kVA worden gewaardeerd?

Werking van Hybride Stappenmotor

Deze motor werkt vergelijkbaar met de permanentmagneet stappenmotor. De bovenstaande afbeelding toont een 2-fase, 4-pool, 6-tand rotor hybride stappenmotor. Wanneer fase A-A' met een DC-spanning geëxciteerd wordt, terwijl B-B' niet geëxciteerd is, lijnt de rotor zich uit zodanig dat de zuidpool van de rotor de noordpool van de stator aanziet, terwijl de noordpool van de rotor de zuidpool van de stator aanziet.

Nu, als fase B-B' geëxciteerd wordt, terwijl A-A' uitgeschakeld blijft, op een manier dat de bovenste pool noord en de onderste zuid wordt, dan zal de rotor zich uitlijnen naar een nieuwe positie door in tegenkloksgewijze richting te bewegen. Als fase B-B' omgekeerd geëxciteerd wordt, zodat de bovenste pool zuid en de onderste noord wordt, dan zal de rotor in kloksgewijze richting draaien.

Door een juiste volgorde van pulsen aan de stator, zal de motor in de gewenste richting draaien. Voor elke excitatie wordt de rotor vergrendeld in een nieuwe positie, en zelfs als de excitatie wordt verwijderd, behoudt de motor nog steeds zijn vergrendelde toestand door de permanentmagneet opwekking. De staphoek van deze 2-fase, 4-pool, 6-tand rotor motor is: 360 / (2 × 6) = 30 graden. In de praktijk worden hybride motoren geconstrueerd met meer rotorpolen om een hoge hoekresolutie te verkrijgen.

• Gerelateerd: Wat is Motorrendement & Hoe te verbeteren?

Unipolaire en Bipolaire Stappenmotoren

De boven besproken motoren kunnen unipolaire of bipolaire zijn, gebaseerd op de spoelwinding-arrangementen. Een unipolaire motor heeft twee windingen per fase, waardoor de richting van de stroom door deze windingen de rotatie van de motor verandert. In deze configuratie vloeit de stroom in één richting in de ene spoel en in de tegenovergestelde richting in de andere spoel.

De onderstaande afbeelding toont een 2-fase unipolaire stappenmotor waarin A en C spoelen voor één fase zijn en B en D voor de andere fase. In elke fase voert elke spoel stroom in tegengestelde richting ten opzichte van de andere spoel. Alleen één spoel voert op een gegeven moment stroom in elke fase voor het bereiken van een bepaalde rotatierichting. Door de klemmen naar elke spoel te schakelen, wordt de rotatierichting geregeld.

In het geval van een bipolaire stappenmotor, bestaat elke fase uit een enkele winding in plaats van twee zoals bij de unipolaire. Hier wordt de rotatierichting geregeld door de stroom door de windingen om te keren. Daarom vereist het een complexere driftschakeling voor stroomomkering.

• U kunt ook lezen: Wat is een Solenoïde en Solenoïde Magnetisch Veld

Stapmodi van een Stappenmotor

Een typische stapactie zorgt ervoor dat de motor door een reeks evenwichtsposities stapt in reactie op stroompulsen die eraan worden gegeven. Het is mogelijk de stapactie op verschillende manieren te variëren door de volgorde te veranderen waarin de statorwindingen worden geënergiseerd. De volgende zijn de meest voorkomende bedienings- of drijfmodi van stappenmotoren.

1. Golfstap (Wave step)
2. Volledige stap (Full step)
3. Half stap (Half step)
4. Microstappen (Microstepping)

Golfstap Modus (Wave Step Mode)

De golfstapmodus is de eenvoudigste van alle modi, waarbij slechts één winding op een gegeven moment geënergiseerd is. Elke spoel van de fase wordt om de beurt aangesloten op de voeding. De onderstaande tabel toont de volgorde waarin spoelen worden geënergiseerd in een 4-fase stappenmotor.

In deze modus geeft de motor de maximale staphoek vergeleken met alle andere modi. Het is de eenvoudigste en meest gebruikte modus voor stappen; het gegenereerde moment is echter geringer omdat het slechts een deel van de totale winding op een gegeven moment gebruikt.

Volledige Stap Modus (Full Step Mode)

In deze drijfmodus worden twee statorfasen simultaan geënergiseerd. Wanneer twee fasen samen geënergiseerd worden, ervaart de rotor het moment van beide fasen en komt tot de evenwichtspositie, die tussen twee opeenvolgende golfstapposities of 1-fase excitaties ligt. Deze stap biedt een betere vasthoudende kracht dan de golfstap. De onderstaande tabel toont de volledige stapdrijf voor een 4-fase stappenmotor.

Half Stap Modus (Half Step Mode)

Dit is een combinatie van zowel golf- als volledige stapmodi. In deze modus worden één-fase en twee-fase excitaties afwisselend uitgevoerd, dus één-fase AAN, twee-fasen AAN, enz. De staphoek in deze modus wordt de helft van de volledige staphoek. Deze drijfmodus heeft de hoogste kracht en stabiliteit vergeleken met alle andere modi. De tabel met de fasenpulsreeks voor een 4-fase motor in half-stapmodus is hieronder gegeven.

Microstappen Modus (Microstepping Mode)

In deze modus wordt elke motorstap onderverdeeld in verschillende kleine stappen, zelfs honderden vaste posities, waardoor een grotere positioneringsresolutie wordt verkregen. Hierbij worden de stromen door de windingen continu gevarieerd om zeer kleine stappen te krijgen. Twee fasen worden simultaan geëxciteerd, maar met ongelijke stromen in elke fase.

Bijvoorbeeld: de stroom door fase-1 wordt constant gehouden, terwijl de stroom door fase-2 in stappen wordt verhoogd tot de maximumwaarde, ofwel negatief ofwel positief. De stroom in fase-1 wordt dan in stappen verlaagd of verhoogd tot nul. Op deze manier produceert de motor een kleine stapgrootte.

Al deze stapmodi kunnen worden verkregen door elk type stappenmotor zoals hierboven besproken. De richting van de stroom in elke winding tijdens deze stappen kan echter variëren, afhankelijk van het type motor en of het unipolaire of bipolaire is.

• Gerelateerd: Kabelgrootte Berekening voor LT & HT Motoren

Voordelen van Stappenmotor

• In stilstand heeft de motor vol moment. Ongeacht of er geen beweging of positieverandering is.
• Het heeft een goede reactie op starten, stoppen en omkeren van positie.
• Omdat er geen contactborstels in de stappenmotor zitten, is het betrouwbaar en de levensduur hangt af van de lagers van de motor.
• De motorrotatiehoek is recht evenredig met de invoersignalen.
• Het is eenvoudig en minder kostbaar te bedienen, omdat de motor open-lus regeling biedt bij reactie op digitale invoersignalen.
• De motorsnelheid is recht evenredig met de frequentie van de invoerpulsen, waardoor een wijd bereik aan rotatiesnelheden bereikt kan worden.
• Wanneer een last aan de as gekoppeld is, is het nog steeds mogelijk om synchrone rotatie met lage snelheid te realiseren.
• De exacte positionering en herhaalbaarheid van beweging is goed, met een nauwkeurigheid van 3-5% van een stap, waarbij de fout niet cumulatief is van de ene stap naar de andere.
• Stappenmotoren zijn veiliger en goedkoper (vergeleken met servomotoren), hebben hoog moment bij lage snelheden, hoge betrouwbaarheid met een eenvoudige constructie die in elke omgeving werkt.

Nadelen van Stappenmotoren

• Stappenmotoren hebben een laag rendement.
• Het heeft een lage nauwkeurigheid.
• Zijn moment daalt zeer snel met de snelheid.
• Omdat de stappenmotor in open-lus regeling werkt, is er geen terugkoppeling om potentiële gemiste stappen aan te geven.
• Het heeft een lage moment-tot-inertieverhouding, wat betekent dat het de last niet snel kan versnellen.
• Ze zijn lawaaierig.

Toepassingen van Stappenmotoren

• Stappenmotoren worden gebruikt in geautomatiseerde productieapparatuur, auto-instrumenten en industriële machines zoals verpakking, labelen, vullen en snijden.
• Zij worden wijd gebruikt in beveiligingsapparaten zoals beveiligings- en bewakingscamera's.
• In de medische industrie worden stappenmotoren wijd gebruikt in monsters, digitale tandfotografie, respiratoren, vloeistofpompen, bloedanalysemachines en medische scanners.
• Ze worden gebruikt in consumentenelektronica in imagescanners, fotokopieers en printmachines, en in digitale camera's voor automatische zoom- en focusfuncties en positionering.
• Stappenmotoren worden ook gebruikt in liften, transportbanden en rijstrookafwijkers.

U kunt ook lezen:

• DC Drives – Constructie, Werking & Classificatie van Elektrische DC Drives
• Driefasemotor Vermogen & Bediening Bedradingsschema's
• Elektricemotoren Bibliotheek (AC & DC)