Aantal keren bekeken: 0 Auteur: Site-editor Publicatietijd: 18-04-2025 Herkomst: Locatie
A stappenmotor is een type elektromotor die in precieze, vaste stappen beweegt in plaats van continu te roteren zoals een gewone motor. Het wordt vaak gebruikt in toepassingen waar nauwkeurige positiecontrole vereist is, zoals 3D-printers, CNC-machines, robotica en cameraplatforms.
Stappenmotoren zijn een type elektromotor die elektrische energie met opmerkelijke precisie omzetten in roterende beweging. In tegenstelling tot gewone elektromotoren, die voor een continue rotatie zorgen, draaien stappenmotoren in discrete stappen, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen die nauwkeurige positionering vereisen.
Elke elektriciteitspuls die vanuit de driver naar een stappenmotor wordt gestuurd, resulteert in een precieze beweging: elke puls komt overeen met een specifieke stap. De snelheid waarmee de motor draait, hangt rechtstreeks samen met de frequentie van deze pulsen: hoe sneller de pulsen worden verzonden, hoe sneller de rotatie.
Een van de belangrijkste voordelen van stappenmotoren is hun eenvoudige bediening. De meeste drivers werken met pulsen van 5 volt, compatibel met gewone geïntegreerde schakelingen. Je kunt een circuit ontwerpen om deze pulsen te genereren of een pulsgenerator van bedrijven als BesFoc gebruiken.
Ondanks de incidentele onnauwkeurigheden – standaard stappenmotoren hebben een nauwkeurigheid van ongeveer ± 3 boogminuten (0,05°) – stapelen deze fouten zich niet op bij meerdere stappen. Als een standaard stappenmotor bijvoorbeeld één stap maakt, zal deze 1,8° ± 0,05° roteren. Zelfs na een miljoen stappen is de totale afwijking nog steeds slechts ± 0,05°, waardoor ze betrouwbaar zijn voor nauwkeurige bewegingen over lange afstanden.
Bovendien staan stappenmotoren bekend om hun snelle respons en acceleratie dankzij hun lage rotortraagheid, waardoor ze snel hoge snelheden kunnen bereiken. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij korte, snelle bewegingen nodig zijn.
A stappenmotor werkt door een volledige rotatie in een aantal gelijke stappen te verdelen. Het maakt gebruik van elektromagneten om beweging te creëren in kleine, gecontroleerde stappen.
Een stappenmotor bestaat uit twee hoofdonderdelen:
Stator – het stationaire deel met spoelen (elektromagneten).
Rotor – het roterende deel, vaak een magneet of gemaakt van ijzer.
Wanneer elektrische stroom door de statorspoelen vloeit, ontstaan er magnetische velden.
Deze velden trekken de rotor aan.
Door de spoelen in een bepaalde volgorde aan en uit te zetten, wordt de rotor stap voor stap in een cirkelvormige beweging voortgetrokken.
Elke keer dat een spoel wordt bekrachtigd, beweegt de rotor een kleine hoek (een zogenaamde stap).
Als een motor bijvoorbeeld 200 stappen per omwenteling heeft, beweegt elke stap de rotor 1,8°.
De motor kan vooruit of achteruit draaien, afhankelijk van de volgorde van de pulsen die naar de spoelen worden gestuurd.
A stappenmotordriver stuurt elektrische pulsen naar de motorspoelen.
Hoe meer pulsen, hoe meer de motor draait.
Microcontrollers (zoals Arduino of Raspberry Pi) kunnen deze stuurprogramma's besturen om de motor nauwkeurig te laten bewegen.
De onderstaande afbeelding toont een standaard stappenmotorsysteem, dat bestaat uit verschillende essentiële componenten die samenwerken. De prestaties van elk element beïnvloeden de algehele functionaliteit van het systeem.
Het hart van het systeem wordt gevormd door de computer of de programmeerbare logische controller (PLC). Dit onderdeel fungeert als het brein en bestuurt niet alleen de stappenmotor, maar ook de hele machine. Het kan verschillende taken uitvoeren, zoals het heffen van een lift of het verplaatsen van een transportband. Afhankelijk van de benodigde complexiteit kan deze controller variëren van een geavanceerde pc of PLC tot een eenvoudige bedieningsdrukknop.
De volgende is de indexer of PLC-kaart, die specifieke instructies doorgeeft aan de stappenmotor . Het genereert het vereiste aantal pulsen voor beweging en past de pulsfrequentie aan om de versnelling, snelheid en vertraging van de motor te regelen. De indexer kan een zelfstandige eenheid zijn, zoals de BesFoc, of een pulsgeneratorkaart die op een PLC kan worden aangesloten. Ongeacht de vorm is dit onderdeel cruciaal voor de werking van de motor.
De motordriver bestaat uit vier belangrijke onderdelen:
Logica voor fasecontrole: Deze logische eenheid ontvangt pulsen van de indexer en bepaalt welke fase van de motor moet worden geactiveerd. Het bekrachtigen van de fasen moet een specifieke volgorde volgen om een goede werking van de motor te garanderen.
Logische voeding: Dit is een laagspanningsvoeding die de geïntegreerde schakelingen (IC's) in de driver van stroom voorziet, doorgaans met een spanning van ongeveer 5 volt, afhankelijk van de chipset of het ontwerp.
Motorvoeding: Deze voeding levert de benodigde spanning om de motor van stroom te voorzien, meestal rond de 24 VDC, hoewel dit afhankelijk van de toepassing hoger kan zijn.
Eindversterker: Dit onderdeel bestaat uit transistors die stroom door de motorfasen mogelijk maken. Deze transistors worden in de juiste volgorde in- en uitgeschakeld om de beweging van de motor te vergemakkelijken.
Ten slotte werken al deze componenten samen om de lading te verplaatsen, wat een spindel, een schijf of een transportband kan zijn, afhankelijk van de specifieke toepassing.
Er zijn drie primaire typen stappenmotoren:
Deze motoren zijn voorzien van tanden op de rotor en stator, maar bevatten geen permanente magneet. Als gevolg hiervan hebben ze geen vastzetkoppel, wat betekent dat ze hun positie niet behouden als ze niet worden bekrachtigd.
PM-stappenmotoren hebben een permanente magneet op de rotor, maar hebben geen tanden. Hoewel ze doorgaans minder precisie vertonen in staphoeken, bieden ze wel een vastzetkoppel, waardoor ze hun positie kunnen behouden wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.
BesFoc is uitsluitend gespecialiseerd in Hybride stappenmotor s. Deze motoren combineren de magnetische eigenschappen van permanente magneten met het getande ontwerp van motoren met variabele reluctantie. De rotor is axiaal gemagnetiseerd, wat betekent dat in een typische configuratie de bovenste helft een noordpool is en de onderste helft een zuidpool.
De rotor bestaat uit twee getande cups met elk 50 tanden. Deze cups zijn 3,6° verschoven, waardoor een nauwkeurige positionering mogelijk is. Van bovenaf gezien kun je zien dat een tand op de noordpoolbeker op één lijn ligt met een tand op de zuidpoolbeker, waardoor een effectief tandwielsysteem ontstaat.
Hybride stappenmotoren werken op een tweefasige constructie, waarbij elke fase vier polen bevat die 90° uit elkaar staan. Elke pool in een fase is zo gewikkeld dat de polen die 180° uit elkaar liggen dezelfde polariteit hebben, terwijl de polariteiten tegengesteld zijn voor de polen die 90° uit elkaar liggen. Door de stroom in een willekeurige fase om te keren, kan ook de polariteit van de bijbehorende statorpool worden omgekeerd, waardoor de motor elke statorpool in een noord- of zuidpool kan omzetten.
De rotor van de stappenmotor heeft 50 tanden, met een spoed van 7,2° tussen elke tand. Terwijl de motor werkt, kan de uitlijning van de rotortanden met de statortanden variëren, met name kan deze worden gecompenseerd met driekwart tandsteek, een halve tandsteek of een kwart tandsteek. Wanneer de motor stapt, neemt hij uiteraard de kortste weg om zichzelf opnieuw uit te lijnen, wat zich vertaalt in een beweging van 1,8° per stap (aangezien 1/4 van 7,2° gelijk is aan 1,8°).
Koppel en nauwkeurigheid in stappenmotoren worden beïnvloed door het aantal polen (tanden). Over het algemeen leidt een hoger aantal polen tot een verbeterd koppel en een betere nauwkeurigheid. BesFoc biedt 'Hoge Resolutie' stappenmotoren aan, die de helft van de tandafstand hebben van hun standaardmodellen. Deze rotoren met hoge resolutie hebben 100 tanden, wat resulteert in een hoek van 3,6° tussen elke tand. Bij deze opstelling komt een beweging van 1/4 tandsteek overeen met een kleinere stap van 0,9°.
Als gevolg hiervan bieden de 'Hoge Resolutie'-modellen een dubbele resolutie van standaardmotoren, waardoor 400 stappen per omwenteling worden bereikt, vergeleken met 200 stappen per omwenteling bij de standaardmodellen. Kleinere staphoeken leiden ook tot lagere trillingen, omdat elke stap minder uitgesproken en geleidelijker is.
Het onderstaande diagram illustreert een dwarsdoorsnede van een 5-fase stappenmotor. Deze motor bestaat hoofdzakelijk uit twee hoofdonderdelen: de stator en de rotor. De rotor zelf bestaat uit drie componenten: rotorbeker 1, rotorbeker 2 en een permanente magneet. De rotor is in axiale richting gemagnetiseerd; Als bijvoorbeeld rotorbeker 1 wordt aangeduid als de noordpool, zal rotorbeker 2 de zuidpool zijn.
De stator beschikt over 10 magnetische polen, elk voorzien van kleine tanden en bijbehorende wikkelingen. Deze wikkelingen zijn zo ontworpen dat ze allemaal zijn verbonden met de wikkeling van de tegenoverliggende pool. Wanneer er stroom door een paar wikkelingen vloeit, magnetiseren de polen die ze verbinden in dezelfde richting: noord of zuid.
Elk tegenoverliggend paar polen vormt één fase van de motor. Gegeven dat er in totaal 10 magnetische polen zijn, resulteert dit in vijf verschillende fasen binnen deze 5-fase stappenmotor.
Belangrijk is dat elke rotorbeker 50 tanden langs de buitenomtrek heeft. De tanden van rotorbeker 1 en rotorbeker 2 zijn mechanisch met een halve tandsteek ten opzichte van elkaar verschoven, waardoor een nauwkeurige uitlijning en beweging tijdens bedrijf mogelijk is.
Het is van cruciaal belang om te begrijpen hoe u een snelheids-koppelcurve moet lezen, omdat dit inzicht geeft in wat een motor kan bereiken. Deze curven vertegenwoordigen de prestatiekenmerken van een specifieke motor in combinatie met een bepaalde driver. Zodra de motor operationeel is, wordt het koppel ervan beïnvloed door het type aandrijving en de aangelegde spanning. Als gevolg hiervan kan dezelfde motor aanzienlijk verschillende snelheids-koppelcurves vertonen, afhankelijk van de gebruikte driver.
BesFoc biedt deze snelheids-koppelcurven als referentie. Als u een motor gebruikt met een driver die vergelijkbare spannings- en stroomwaarden heeft, kunt u vergelijkbare prestaties verwachten. Voor een interactieve ervaring verwijzen wij u naar de onderstaande snelheids-koppelcurve:
Houdkoppel
Dit is de hoeveelheid koppel die door de motor wordt geproduceerd wanneer deze in rust is, terwijl de nominale stroom door de wikkelingen vloeit.
Start-/stopgebied
Deze sectie geeft de koppel- en snelheidswaarden aan waarbij de motor onmiddellijk kan starten, stoppen of omkeren.
Pull-In Torque
Dit zijn de koppel- en snelheidswaarden waarmee de motor kan starten, stoppen of omkeren, terwijl hij synchroon blijft met de ingangspulsen.
Pullout Torque
Dit verwijst naar de koppel- en snelheidswaarden waarbij de motor kan werken zonder af te slaan, waarbij synchronisatie met de ingangsfasen behouden blijft. Het vertegenwoordigt het maximale koppel dat de motor tijdens bedrijf kan leveren.
Maximale startsnelheid
Dit is het hoogste toerental waarbij de motor kan gaan draaien als er geen belasting op staat.
Maximale draaisnelheid
Dit geeft de hoogste snelheid aan die de motor kan bereiken terwijl deze onbelast draait.
Om binnen het gebied tussen het intrek- en uittrekkoppel te kunnen werken, moet de motor aanvankelijk in het start/stop-gebied starten. Terwijl de motor begint te draaien, wordt de hartslag geleidelijk verhoogd totdat de gewenste snelheid is bereikt. Om de motor te stoppen, wordt het toerental vervolgens verlaagd tot onder de intrekkoppelcurve.
Het koppel is recht evenredig met de stroom en het aantal draadwindingen in de motor. Om het koppel met 20% te verhogen, moet de stroom ook met ongeveer 20% worden verhoogd. Om het koppel met 50% te verminderen, moet de stroom daarentegen met 50% worden verminderd.
Vanwege de magnetische verzadiging heeft het echter geen voordeel om de stroom te verhogen tot meer dan tweemaal de nominale stroom, aangezien verdere verhogingen voorbij dit punt het koppel niet zullen vergroten. Bij een werking van ongeveer tien keer de nominale stroom bestaat het risico dat de rotor wordt gedemagnetiseerd.
Al onze motoren zijn uitgerust met klasse B-isolatie, die bestand is tegen temperaturen tot 130°C voordat de isolatie begint te verslechteren. Om een lange levensduur te garanderen, raden we aan een temperatuurverschil van 30°C van binnen naar buiten aan te houden, wat betekent dat de temperatuur van de buitenkant van de behuizing niet hoger mag zijn dan 100°C.
Inductie speelt een belangrijke rol bij koppelprestaties bij hoge snelheden. Het verklaart waarom motoren geen eindeloos hoog koppel vertonen. Elke wikkeling van de motor heeft verschillende waarden voor inductie en weerstand. De inductie gemeten in henrys, gedeeld door de weerstand in ohm, resulteert in een tijdconstante (in seconden). Deze tijdconstante geeft aan hoe lang het duurt voordat de spoel 63% van de nominale stroom bereikt. Als de motor bijvoorbeeld een vermogen van 1 ampère heeft, zal de spoel na één tijdconstante ongeveer 0,63 ampère bereiken. Het duurt doorgaans ongeveer vier tot vijf tijdconstanten voordat de spoel de volledige stroomsterkte (1 ampère) bereikt. Omdat het koppel evenredig is met de stroom, zal de motor, als de stroom slechts 63% bereikt, na één tijdconstante ongeveer 63% van zijn maximale koppel produceren.
Bij lage snelheden is deze vertraging in de stroomopbouw geen probleem, omdat de stroom de spoelen effectief snel kan binnenkomen en verlaten, waardoor de motor zijn nominale koppel kan leveren. Bij hoge snelheden kan de stroom echter niet snel genoeg toenemen voordat de volgende fase overschakelt, wat resulteert in een lager koppel.
De driverspanning heeft een aanzienlijke invloed op de hogesnelheidsprestaties van een stappenmotor . Een hogere verhouding tussen aandrijfspanning en motorspanning leidt tot verbeterde hogesnelheidsmogelijkheden. Dit komt omdat verhoogde spanningen het mogelijk maken dat stroom sneller in de wikkelingen stroomt dan de eerder besproken drempel van 63%.
Wanneer een stappenmotor van de ene stap naar de volgende overgaat, stopt de rotor niet onmiddellijk op de doelpositie. In plaats daarvan beweegt hij voorbij de eindpositie, wordt vervolgens teruggetrokken, schiet voorbij in de tegenovergestelde richting, en blijft heen en weer oscilleren totdat hij uiteindelijk tot stilstand komt. Dit fenomeen, ook wel 'rinkelen' genoemd, treedt op bij elke stap die de motor zet (zie het interactieve diagram hieronder). Net als bij een bungeekoord voert het momentum van de rotor hem voorbij zijn stoppunt, waardoor hij 'stuitert' voordat hij in rust komt. In veel gevallen krijgt de motor echter de opdracht om naar de volgende stap te gaan voordat deze volledig tot stilstand is gekomen.
De onderstaande grafieken illustreren het belgedrag van een stappenmotor onder verschillende belastingsomstandigheden. Wanneer de motor onbelast is, vertoont deze een aanzienlijk gerinkel, wat zich vertaalt in verhoogde trillingen. Deze overmatige trillingen kunnen ertoe leiden dat de motor afslaat wanneer deze onbelast of licht belast is, omdat deze de synchronisatie kan verliezen. Daarom is het essentieel om altijd een test uit te voeren stappenmotor met een passende belasting.
De andere twee grafieken geven de prestaties van de motor weer onder belasting. Het correct laden van de motor helpt de werking ervan te stabiliseren en trillingen te verminderen. Idealiter zou de belasting tussen 30% en 70% van het maximale koppel van de motor nodig hebben. Bovendien moet de traagheidsverhouding van de belasting tot de rotor tussen 1:1 en 10:1 liggen. Voor kortere en snellere bewegingen verdient het de voorkeur dat deze verhouding dichter bij 1:1 tot 3:1 ligt.
De toepassingsspecialisten en ingenieurs van BesFoc zijn beschikbaar om u te helpen met de juiste motorafmetingen.
A stappenmotor zal aanzienlijk verhoogde trillingen ervaren wanneer de ingangspulsfrequentie samenvalt met zijn natuurlijke frequentie, een fenomeen dat bekend staat als resonantie. Dit gebeurt vaak rond de 200 Hz. Bij resonantie worden het over- en onderschieten van de rotor aanzienlijk versterkt, waardoor de kans op ontbrekende stappen groter wordt. Hoewel de specifieke resonantiefrequentie kan variëren afhankelijk van de traagheid van de belasting, schommelt deze doorgaans rond de 200 Hz.
2-fase stappenmotoren kunnen alleen stappen missen in groepen van vier. Als u merkt dat er stapverlies optreedt in veelvouden van vier, betekent dit dat trillingen ervoor zorgen dat de motor de synchronisatie verliest of dat de belasting mogelijk te hoog is. Omgekeerd, als de gemiste stappen niet in veelvouden van vier zijn, is er een sterke indicatie dat de pulstelling onjuist is of dat elektrische ruis de prestaties beïnvloedt.
Verschillende strategieën kunnen resonantie-effecten helpen verzachten. De eenvoudigste benadering is om helemaal niet op de resonante snelheid te werken. Omdat 200 Hz overeenkomt met ongeveer 60 RPM voor een tweefasige motor, is dit geen extreem hoog toerental. Meest stappenmotoren hebben een maximale startsnelheid van ongeveer 1000 pulsen per seconde (pps). Daarom kunt u in veel gevallen de motorwerking starten met een snelheid die hoger is dan de resonantiefrequentie.
Als u de motor moet starten met een snelheid die onder de resonantiefrequentie ligt, is het belangrijk om snel door het resonantiebereik te accelereren om de effecten van trillingen te minimaliseren.
Een andere effectieve oplossing is het gebruik van een kleinere staphoek. Grotere staphoeken hebben de neiging te resulteren in een grotere over- en onderschrijding. Als de motor een korte afstand moet afleggen, zal hij niet genoeg kracht (koppel) genereren om aanzienlijk door te schieten. Door de staphoek te verkleinen ervaart de motor minder trillingen. Dit is een van de redenen waarom half-stepping- en microstepping-technieken zo effectief zijn in het verminderen van trillingen.
Zorg ervoor dat u de motor selecteert op basis van de belastingsvereisten. Een juiste motorafmeting kan leiden tot betere algehele prestaties.
Dempers zijn een andere optie om te overwegen. Deze apparaten kunnen op de achterste as van de motor worden gemonteerd om een deel van de trillingsenergie te absorberen, waardoor de werking van een trillende motor op een kosteneffectieve manier wordt vergemakkelijkt.
Een relatief nieuwe ontwikkeling in stappenmotortechnologie is de 5-fase stappenmotor. Het meest opvallende verschil tussen 2-fase- en 5-fasemotoren (zie het interactieve diagram hieronder) is het aantal statorpolen: 2-fasemotoren hebben 8 polen (4 per fase), terwijl 5-fasemotoren 10 polen hebben (2 per fase). Het rotorontwerp is vergelijkbaar met dat van een tweefasige motor.
Bij een tweefasige motor verplaatst elke fase de rotor met 1/4 tandsteek, terwijl bij een vijffasige motor de rotor vanwege het ontwerp 1/10 tandsteek beweegt. Bij een tandsteek van 7,2° wordt de staphoek voor de 5-fasenmotor 0,72°. Dankzij deze constructie kan de 5-fasenmotor 500 stappen per omwenteling behalen, vergeleken met de 200 stappen per omwenteling van de 2-fasenmotor, wat een resolutie oplevert die 2,5 keer groter is dan die van de 2-fasenmotor.
Een hogere resolutie leidt tot een kleinere staphoek, waardoor trillingen aanzienlijk worden verminderd. Omdat de staphoek van de 5-fasenmotor 2,5 keer kleiner is dan die van de 2-fasenmotor, ondervindt deze veel minder trillingen en trillingen. Bij beide motortypen moet de rotor meer dan 3,6 ° over- of onderschieten om stappen te missen. Omdat de staphoek van de vijffasige motor slechts 0,72° bedraagt, wordt het bijna onmogelijk voor de motor om een dergelijke marge te over- of onderschrijden, wat resulteert in een zeer kleine kans op verlies van synchronisatie.
Er zijn vier primaire aandrijfmethoden voor stappenmotor s:
Wave Drive (volledige stap)
2 fasen aan (volledige stap)
1-2 fasen aan (halve stap)
Microstap
In het onderstaande diagram is de golfaandrijfmethode vereenvoudigd om de principes ervan te illustreren. Elke draai van 90° die in de afbeelding wordt weergegeven, vertegenwoordigt 1,8° rotorrotatie in een echte motor.
Bij de golfaandrijfmethode, ook wel de 1-fase AAN-methode genoemd, wordt slechts één fase tegelijk bekrachtigd. Wanneer de A-fase wordt geactiveerd, ontstaat er een zuidpool die de noordpool van de rotor aantrekt. Vervolgens wordt de A-fase uitgeschakeld en de B-fase ingeschakeld, waardoor de rotor 90° (1,8°) draait, en dit proces gaat verder waarbij elke fase afzonderlijk wordt bekrachtigd.
De golfaandrijving werkt met een elektrische sequentie van vier stappen om de motor te laten draaien.
Bij de aandrijfmethode '2 fasen aan' worden beide fasen van de motor continu bekrachtigd.
Zoals hieronder geïllustreerd, komt elke draai van 90° overeen met een rotorrotatie van 1,8°. Wanneer zowel de A- als de B-fase als zuidpool worden bekrachtigd, wordt de noordpool van de rotor gelijkmatig door beide polen aangetrokken, waardoor deze direct in het midden wordt uitgelijnd. Naarmate de reeks vordert en de fasen worden geactiveerd, zal de rotor draaien om de uitlijning tussen de twee bekrachtigde polen te behouden.
De '2 Fasen Aan'-methode werkt met een elektrische sequentie van vier stappen om de motor te laten draaien.
De standaard 2-fase en 2-fase M-type motoren van BesFoc maken gebruik van deze '2 Phases On'-aandrijfmethode.
Het belangrijkste voordeel van de '2 Phases On'-methode ten opzichte van de '1 Phase On'-methode is het koppel. Bij de '1 Phase On'-methode wordt slechts één fase tegelijk geactiveerd, wat resulteert in een enkele koppeleenheid die op de rotor inwerkt. De '2 Phases On'-methode daarentegen activeert beide fasen tegelijkertijd, waardoor twee koppeleenheden worden geproduceerd. Eén koppelvector werkt op de 12-uurpositie en de andere op de 3-uurpositie. Wanneer deze twee koppelvectoren worden gecombineerd, creëren ze een resulterende vector in een hoek van 45° met een grootte die 41,4% groter is dan die van een enkele vector. Dit betekent dat we met de '2 Phases On'-methode dezelfde staphoek kunnen bereiken als met de '1 Phase On'-methode, terwijl we 41% meer koppel leveren.
Vijffasige motoren werken echter enigszins anders. In plaats van de '2 Fasen Aan'-methode te gebruiken, gebruiken ze de '4 Fasen Aan'-methode. Bij deze aanpak worden vier van de fasen gelijktijdig geactiveerd telkens wanneer de motor een stap zet.
Hierdoor volgt de vijffasenmotor tijdens bedrijf een elektrische sequentie van 10 stappen.
De '1-2 Phases On'-methode, ook wel half-stepping genoemd, combineert de principes van de vorige twee methoden. Bij deze aanpak activeren we eerst de A-fase, waardoor de rotor wordt uitgelijnd. Terwijl we de A-fase bekrachtigd houden, activeren we vervolgens de B-fase. Op dit punt wordt de rotor gelijkmatig aangetrokken door beide polen en uitgelijnd in het midden, wat resulteert in een rotatie van 45° (of 0,9°). Vervolgens schakelen we de A-fase uit terwijl we de B-fase blijven bekrachtigen, waardoor de motor nog een stap kan zetten. Dit proces gaat door, afwisselend tussen het bekrachtigen van één fase en twee fasen. Door dit te doen, halveren we de staphoek effectief, wat trillingen helpt verminderen.
Voor een 5-fasenmotor gebruiken we een soortgelijke strategie door af te wisselen tussen 4 fasen aan en 5 fasen aan.
De halve-stapmodus bestaat uit een elektrische sequentie van acht stappen. In het geval van een vijffasenmotor die de '4-5 Fasen Aan'-methode gebruikt, doorloopt de motor een elektrische reeks van 20 stappen.
(Er kan indien nodig meer informatie over microstepping worden toegevoegd.)
Microstepping is een techniek waarmee je kleinere stappen nóg fijner kunt maken. Hoe kleiner de stappen, hoe hoger de resolutie en hoe beter de trillingseigenschappen van de motor. Bij microstepping is een fase noch volledig aan, noch volledig uit; in plaats daarvan is het gedeeltelijk bekrachtigd. Sinusgolven worden toegepast op zowel Fase A als Fase B, met een faseverschil van 90° (of 0,9° in een vijffasig systeem). stappenmotor ).
Wanneer het maximale vermogen wordt toegepast op Fase A, staat Fase B op nul, waardoor de rotor op één lijn komt met Fase A. Naarmate de stroom naar Fase A afneemt, neemt de stroom naar Fase B toe, waardoor de rotor kleine stappen kan zetten in de richting van Fase B. Dit proces gaat door terwijl de stroom tussen de twee fasen doorloopt, wat resulteert in een vloeiende microstapbeweging.
Microstepping brengt echter enkele uitdagingen met zich mee, vooral met betrekking tot nauwkeurigheid en koppel. Omdat de fasen slechts gedeeltelijk worden bekrachtigd, ondervindt de motor doorgaans een koppelreductie van ongeveer 30%. Omdat het koppelverschil tussen de stappen minimaal is, kan de motor bovendien moeite hebben om een belasting te overwinnen, wat kan resulteren in situaties waarin de motor de opdracht krijgt om meerdere stappen te zetten voordat hij daadwerkelijk begint te bewegen. In veel gevallen is het inbouwen van encoders nodig om een gesloten-lussysteem te creëren, hoewel dit de totale kosten verhoogt.
Open lussystemen
Gesloten lussystemen
Servosystemen
stappenmotoren zijn doorgaans ontworpen als open-lussystemen. In deze configuratie stuurt een pulsgenerator pulsen naar het fasevolgcircuit. De fasesequencer bepaalt welke fasen moeten worden in- of uitgeschakeld, zoals eerder beschreven in de volledige stap- en halve stap-methoden. De sequencer bestuurt de krachtige FET's om de motor te activeren.
In een open-lussysteem is er echter geen verificatie van de positie, wat betekent dat er geen manier is om te bevestigen of de motor de opgedragen beweging heeft uitgevoerd.
Een van de meest gebruikelijke methoden voor het implementeren van een gesloten-lussysteem is het toevoegen van een encoder aan de achteras van een motor met dubbele as. De encoder bestaat uit een dunne schijf gemarkeerd met lijnen die roteert tussen een zender en een ontvanger. Elke keer dat een lijn tussen deze twee componenten passeert, genereert deze een puls op de signaallijnen.
Deze uitgangspulsen worden vervolgens teruggevoerd naar de controller, die deze bijhoudt. Normaal gesproken vergelijkt de controller aan het einde van een beweging het aantal pulsen dat hij naar de driver stuurt met het aantal pulsen dat hij van de encoder ontvangt. Er wordt een specifieke routine uitgevoerd waarbij, als de twee tellingen verschillen, het systeem zich aanpast om de discrepantie te corrigeren. Als de tellingen overeenkomen, geeft dit aan dat er geen fout is opgetreden en dat de beweging soepel kan doorgaan.
Het gesloten-lussysteem heeft twee belangrijke nadelen: de kosten (en complexiteit) en de responstijd. De toevoeging van een encoder verhoogt de totale kosten van het systeem, samen met de toegenomen verfijning van de controller, wat bijdraagt aan de totale kosten. Omdat correcties pas aan het einde van een beweging worden uitgevoerd, kan dit bovendien vertragingen in het systeem veroorzaken, waardoor de responstijden mogelijk worden vertraagd.
Een alternatief voor steppersystemen met gesloten lus is een servosysteem. Servosystemen maken doorgaans gebruik van motoren met een laag aantal polen, waardoor prestaties op hoge snelheid mogelijk zijn, maar het inherente positioneringsvermogen ontbreekt. Om een servo in een positioneel apparaat om te zetten, zijn feedbackmechanismen nodig, vaak met behulp van een encoder of solver in combinatie met regellussen.
Bij een servosysteem wordt de motor geactiveerd en gedeactiveerd totdat de solver aangeeft dat een bepaalde positie is bereikt. Als de servo bijvoorbeeld de opdracht krijgt om 100 omwentelingen te maken, begint hij met de telling van de solver op nul. De motor draait totdat de resolutie 100 omwentelingen bedraagt, waarna hij wordt uitgeschakeld. Als er sprake is van een positieverschuiving, wordt de motor opnieuw geactiveerd om de positie te corrigeren.
De reactie van de servo op positiefouten wordt beïnvloed door een versterkingsinstelling. Met een hoge versterkingsinstelling kan de motor snel reageren op foutveranderingen, terwijl een lage versterkingsinstelling resulteert in een langzamere respons. Het aanpassen van de versterkingsinstellingen kan echter tijdsvertragingen in het bewegingscontrolesysteem introduceren, wat de algehele prestaties beïnvloedt.
AlphaStep is het innovatief van BesFoc stappenmotoroplossing , met een geïntegreerde solver die realtime positiefeedback biedt. Dit ontwerp zorgt ervoor dat de exacte positie van de rotor te allen tijde bekend is, wat de precisie en betrouwbaarheid van het systeem vergroot.
De AlphaStep-driver beschikt over een ingangsteller die alle pulsen bijhoudt die naar de drive worden verzonden. Tegelijkertijd wordt de feedback van de solver naar een rotorpositieteller gestuurd, waardoor de positie van de rotor continu kan worden bewaakt. Eventuele afwijkingen worden geregistreerd in een afwijkingenteller.
Normaal gesproken werkt de motor in de open-lusmodus, waarbij koppelvectoren worden gegenereerd die de motor kan volgen. Als de afwijkingsteller echter een discrepantie aangeeft die groter is dan ±1,8°, activeert de fasesequencer de koppelvector in het bovenste gedeelte van de koppelverplaatsingscurve. Dit genereert een maximaal koppel om de rotor opnieuw uit te lijnen en weer synchroon te brengen. Als de motor meerdere stappen uitgeschakeld is, bekrachtigt de sequencer meerdere koppelvectoren aan de bovenkant van de koppelverplaatsingscurve. De bestuurder kan tot 5 seconden lang overbelasting aan; Als de synchronisatie niet binnen dit tijdsbestek wordt hersteld, wordt er een fout geactiveerd en wordt er een alarm afgegeven.
Een opmerkelijk kenmerk van het AlphaStep-systeem is de mogelijkheid om realtime correcties aan te brengen voor gemiste stappen. In tegenstelling tot traditionele systemen die wachten tot het einde van een beweging om eventuele fouten te corrigeren, onderneemt de AlphaStep-driver corrigerende actie zodra de rotor buiten het bereik van 1,8° valt. Zodra de rotor weer binnen deze limiet is, keert de driver terug naar de open-lusmodus en hervat hij de juiste fase-bekrachtigingen.
De bijgevoegde grafiek illustreert de koppelverplaatsingscurve, waarbij de operationele modi van het systeem worden benadrukt: open lus en gesloten lus. De koppelverplaatsingscurve vertegenwoordigt het koppel dat door een enkele fase wordt gegenereerd, waarbij het maximale koppel wordt bereikt wanneer de rotorpositie 1,8° afwijkt. Een stap kan alleen worden gemist als de rotor meer dan 3,6° doorschiet. Omdat de bestuurder de controle over de koppelvector overneemt wanneer de afwijking groter is dan 1,8°, is het onwaarschijnlijk dat de motor stappen overslaat, tenzij hij een overbelasting ervaart die langer dan 5 seconden duurt.
Veel mensen denken ten onrechte dat de stapnauwkeurigheid van de AlphaStep-motor ±1,8° bedraagt. In werkelijkheid heeft de AlphaStep een stapnauwkeurigheid van 5 boogminuten (0,083°). De bestuurder beheert de koppelvectoren wanneer de rotor zich buiten het bereik van 1,8° bevindt. Zodra de rotor binnen dit bereik valt, worden de rotortanden precies uitgelijnd met de koppelvector die wordt gegenereerd. De AlphaStep zorgt ervoor dat de juiste tand uitgelijnd is met de actieve koppelvector.
De AlphaStep-serie is verkrijgbaar in verschillende uitvoeringen. BesFoc biedt modellen met ronde as en tandwieloverbrengingen met meerdere overbrengingsverhoudingen om de resolutie en het koppel te verbeteren of de gereflecteerde traagheid te minimaliseren. De meeste versies kunnen worden uitgerust met een fail-safe magneetrem. Daarnaast biedt BesFoc een 24 VDC-versie, de ASC-serie.
Concluderend zijn stappenmotoren zeer geschikt voor positioneringstoepassingen. Ze maken een nauwkeurige controle van zowel de afstand als de snelheid mogelijk door simpelweg het aantal pulsen en de frequentie te variëren. Hun hoge aantal polen maakt nauwkeurigheid mogelijk, zelfs bij gebruik in de open-lusmodus. Wanneer de juiste afmetingen voor een specifieke toepassing beschikbaar zijn, kan a stappenmotor zal geen stappen missen. Omdat ze geen positionele feedback vereisen, zijn stappenmotoren bovendien een kosteneffectieve oplossing.
