Wat is een stappenmotor, waarom is het nodig en hoe werkt het

DC-stappenmotoren worden veel gebruikt in numeriek bestuurde machines en robotica. Het belangrijkste verschil van deze elektromotor is het werkingsprincipe. De as van een stappenmotor draait niet lang, maar draait slechts een bepaalde hoek. Dit zorgt voor een nauwkeurige positionering van het werkitem in de ruimte. De voeding van een dergelijke motor is discreet, dat wil zeggen dat deze wordt uitgevoerd door pulsen. Deze pulsen roteren de as ook over een bepaalde hoek, elke rotatie wordt een stap genoemd, vandaar de naam. Vaak werken deze elektromotoren samen met een versnellingsbak om de nauwkeurigheid van installatie en koppel op de as te vergroten, en met een encoder om de positie van de as op dit moment te volgen. Deze elementen zijn nodig voor het overbrengen en omzetten van de draaihoek. In dit artikel vertellen we de lezers van de site Elecroexpert over het apparaat, het werkingsprincipe en het doel van de stappenmotoren.

Hoe een stappenmotor werkt

In type is het een borstelloze synchrone elektromotor. Bestaat uit stator en rotor. Op de rotor bevinden zich meestal secties, samengesteld uit platen van elektrisch staal (op de foto is dit het "tandwiel" -gedeelte), en die worden op hun beurt gescheiden door permanente magneten. Op de stator bevinden zich wikkelingen in de vorm van afzonderlijke spoelen.

Werkingsprincipe

Hoe een stappenmotor werkt, kan worden overwogen op een voorwaardelijk model. Op positie 1 wordt spanning van een bepaalde polariteit aangelegd op wikkelingen A en B. Hierdoor wordt in de stator een elektromagnetisch veld opgewekt. Omdat verschillende magnetische polen worden aangetrokken, zal de rotor zijn positie innemen langs de as van het magnetische veld. Bovendien belemmert het magnetische veld van de motor pogingen om de positie van de rotor van buitenaf te veranderen. Eenvoudig gezegd zal het magnetische veld van de stator werken om te voorkomen dat de rotor zijn vooraf bepaalde positie verandert (bijvoorbeeld onder mechanische belasting van de as).

Als er spanning van dezelfde polariteit wordt aangelegd op wikkelingen D en C, zal het elektromagnetische veld verschuiven. Hierdoor draait de permanentmagneetrotor naar positie 2. In dit geval is de draaihoek 90 °. Deze hoek is de rotatiestap van de rotor.

Positie 3 wordt bereikt door spanning op omgekeerde polariteit toe te passen op wikkelingen A en B. In dit geval wordt het elektromagnetische veld tegengesteld aan positie 1, zal de rotor van de motoren verschuiven en zal de totale hoek 180 ° zijn.

Bij het toepassen van spanning met omgekeerde polariteit op de wikkelingen D en C, zal de rotor een hoek van maximaal 270 ° draaien ten opzichte van de beginpositie. Wanneer positieve spanning is aangesloten op wikkelingen A en B, zal de rotor zijn oorspronkelijke positie innemen - hij zal een omwenteling van 360 ° voltooien.Houd er rekening mee dat de rotor langs het kleinste pad beweegt, dat wil zeggen, van positie 1 naar positie 4, de rotor zal pas roteren nadat hij tussen 2 en 3 posities is gepasseerd. Bij het verbinden van de wikkelingen na 1 positie, onmiddellijk naar de 4 positie, zal de rotor linksom draaien.

Typen en typen per polariteit of type wikkelingen

In stappenmotoren worden bipolaire en unipolaire wikkelingen gebruikt. Het werkingsprincipe werd overwogen op basis van een bipolaire machine. Dit ontwerp omvat het gebruik van verschillende fasen om de wikkelingen van stroom te voorzien. Het circuit is erg complex en vereist dure en krachtige controlekaarten.

Een eenvoudiger besturingsschema in unipolaire machines. In een dergelijk schema is het begin van de wikkelingen verbonden met een gemeenschappelijk "plus". Op de tweede conclusie van de wikkelingen wordt afwisselend een min toegepast. Dit zorgt voor de rotatie van de rotor.

Bipolaire stappenmotoren zijn krachtiger, hun koppel is 40% meer dan bij unipolaire motoren. Unipolaire elektromotoren zijn veel handiger in gebruik.

Motortypen voor rotorontwerp

Afhankelijk van het type rotorontwerp zijn stappenmotoren onderverdeeld in machines:

• met een permanente magneet;
• met variabele magnetische weerstand;
• hybride.

Stappenmotor met permanente magneet op de rotor is op dezelfde manier gerangschikt als in de bovenstaande voorbeelden. Het enige verschil is dat bij echte machines het aantal magneten veel groter is. Ze worden meestal gedistribueerd op een gedeelde schijf. Het aantal polen in moderne motoren bereikt 48. Een stap in dergelijke elektromotoren is 7,5 °.

Elektromotoren met variabele magnetische weerstand. De rotor van deze machines is gemaakt van zachte magnetische legeringen, ze worden ook wel "jet stepper motor" genoemd. De rotor is samengesteld uit afzonderlijke platen en ziet er in de context uit als een tandwiel. Dit ontwerp is nodig zodat de magnetische flux door de tanden sluit. Het grote voordeel van dit ontwerp is het ontbreken van een vergrendelingsmoment. De rotor met permanente magneten wordt namelijk aangetrokken door de metalen delen van de elektromotor. En de as draaien zonder spanning op de stator is best moeilijk. Bij een stappenmotor met variabele magnetische weerstand is er geen probleem. Een groot nadeel is echter het kleine koppel. De steek van dergelijke machines is gewoonlijk van 5 ° tot 15 °.

De hybride stappenmotor is ontworpen om de beste eigenschappen van de twee voorgaande typen te combineren. Dergelijke motoren hebben een kleine steek in het bereik van 0,9 tot 5 °, hebben een hoog koppel en een vasthoudvermogen. Het belangrijkste pluspunt is de hoge nauwkeurigheid van het apparaat. Dergelijke elektromotoren worden gebruikt in de modernste uiterst nauwkeurige apparatuur. Door nadelen kunnen alleen hun hoge kosten worden toegeschreven. Structureel is de rotor van dit apparaat een gemagnetiseerde cilinder waarop magnetisch zachte tanden zijn geplaatst.

In een 200-stappen stappenmotor worden bijvoorbeeld twee tandwielschijven met elk 50 tanden gebruikt. De schijven worden ten opzichte van elkaar verschoven door een tand, zodat de indrukking van de positieve pool samenvalt met het uitsteeksel van de negatieve en vice versa. Hierdoor heeft de rotor 100 polen met omgekeerde polariteit.

Dat wil zeggen, de zuid- en noordpool kunnen ten opzichte van de stator in 50 verschillende posities en in totaal 100 verschuiven. En een faseverschuiving van een kwart geeft nog eens 100 posities, dit wordt gedaan door opeenvolgende excitatie.

SD-beheer

Het beheer wordt uitgevoerd door de volgende methoden:

1. Wave. Bij deze methode wordt spanning aangelegd op slechts één spoel, waarop de rotor wordt aangetrokken. Omdat er maar één wikkeling bij betrokken is, is het rotorkoppel klein en niet geschikt voor het overdragen van grote vermogens.
2. Volledige stap. In deze uitvoering worden twee wikkelingen tegelijk bekrachtigd, wat een maximaal koppel garandeert.
3. Halve stap. Combineert de eerste twee methoden.In deze uitvoering wordt eerst spanning aangelegd aan een van de wikkelingen en vervolgens aan twee. Zo wordt een groter aantal stappen gerealiseerd en een maximale houdkracht die de rotor bij hoge snelheden stopt.
4. Microstepping wordt uitgevoerd door het toepassen van microsteppulsen. Deze methode zorgt voor een soepele rotatie van de rotor en vermindert schokken tijdens bedrijf.

Voor- en nadelen van stappenmotoren

De voordelen van dit type elektrische machines zijn onder meer:

• hoge start-, stop- en achteruitversnellingen;
• de as draait volgens het commando van de besturingsinrichting onder een vooraf bepaalde hoek;
• duidelijke fixatie van positie na een stop;
• hoge positioneringsnauwkeurigheid, zonder strikte feedbackvereisten;
• hoge betrouwbaarheid door het ontbreken van een verzamelaar;
• behoud van het maximale koppel bij lage snelheden.

Nadelen:

• mogelijk is een overtreding van de positionering tijdens mechanische belasting op de as groter dan toegestaan ​​voor een specifiek motormodel;
• kans op resonantie;
• complex controleschema;
• lage rotatiesnelheid, maar dit kan niet worden toegeschreven aan aanzienlijke nadelen, omdat stappenmotoren niet worden gebruikt om zoiets als borstelloosbijvoorbeeld voor positioneringsmechanismen.

Een stappenmotor wordt ook wel een “eindige-rotorpositie-elektromotor” genoemd. Dit is de meest ruime en tegelijkertijd beknopte definitie van dergelijke elektrische machines. Ze worden actief gebruikt in CNC-machines, 3D-printers en robots. De belangrijkste concurrent van de stappenmotor is servo aandrijving, maar elk van hen heeft zijn eigen voor- en nadelen die de geschiktheid van het gebruik van de een of de ander in elk afzonderlijk geval bepalen.

Gerelateerde materialen:

• Wat zijn de soorten elektromotoren en hoe verschillen ze?
• Wat is stapspanning en waarom is het gevaarlijk?
• Wat is een synchrone motor en waar wordt deze gebruikt