Werken met stappenmotoren

Gepost door Jeroen Vreuls op zondag 18 oktober 2015

Unipolaire motoren

We gaan beginnen met de principe werking van de unipolaire motor. Zoals je kunt zien in het voorbeeld bestaat de motor uit twee spoelen met een middenaftakking en een rotor. De rotor bestaat uit een permanente magneet met een vertanding erop, die vertanding bepaald ook het aantal stappen. Het ligt er dus aan hoe de stappenmotor mechanisch geconstrueerd is voor het aantal stappen die hij kan maken. Door nu A.1, A.2, B.1 en B.2 in een bepaald patroon aan te sturen kan je de motor laten draaien, later meer over het stappenpatroon.

Een unipolaire stappenmotor

Je hebt unipolaire stappenmotoren met vijf en zes aansluitdraden, in het voorbeeld zijn dat zes draden.

Deze motor kan je ook bipolair gebruiken, dan worden de aansluitingen A.1, A.2, B.1 en B.2 gebruikt. De draden waar de plus bij staat worden dan niet gebruikt. Als je nu een motor hebt waar vijf draden aan zitten, dan kan de motor alleen unipolair gebruikt worden.

Aansturing

We gaan eens kijken hoe deze motor aangestuurd kan worden, zie het voorbeeld hieronder.

Aansturing unipolaire stapppenmotor

Zoals je kan zien worden de twee plus draden aan elkaar gezet, daar komt de voedingsspanning voor de stappenmotor op. De spoelen A.1, A.2, B.1 en B.2 worden door de vier NPN transistoren T1, T2, T3 en T4 naar de GND getrokken, op deze manier kan de stappenmotor bediend worden. De transistoren worden op hun beurt aangestuurd door bijvoorbeeld een computer of een microcontroller. In plaats van transistoren kunnen er ook MOSFET's gebruikt worden, of voor kleinere motoren bijvoorbeeld de ULN2803 of een andere driver in IC-vorm.

Later volgt er nog een compleet schema voor een unipolaire stappenmotor.

Stappen

We hebben het in het begin over de staphoek gehad, daar had ik een paar voorbeelden genoemd: 15, 7,5, 3,75, 1,8 en 0,9 graden. We gaan even een voorbeeld bekijken van een stappenmotor met een staphoek van 1,8 graden. Dit zijn de meest gebruikte stappenmotoren. Een motor met een staphoek van 1,8 graden moet dus 200 stappen maken voor één omwenteling van 360 graden. Dit zijn dus hele stappen, maar je hebt ook 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128 en 1/256 stap. Hele en halve stappen is het minst moeilijk om zelf te maken, maar een 1/4 tot 1/256 stap wordt moeilijker. Dit noemt men micro stappen, die worden toegepast in gekochte drivers of in uitgebreidere besturing-IC's voor stappenmotoren.

We gaan even kijken wat die stappen nu precies inhouden. Stel we nemen een 1,8 graden stappenmotor, we hebben gezien dat zo'n motor 200 stappen over één omwenteling doet met hele stappen. Stel dat we zo'n motor nu met halve stappen aansturen, dan hebben we geen 200 stappen maar 400 stappen per omwenteling. De motor maakt nu een stapje van 0,9 graden in plaats van 1,8 graden. De motor maakt kleinere stappen en wordt daardoor ook preciezer, en gaat rustiger lopen. Stel dat we nu 1/16 stap gebruiken (microstepping) dan krijgen we 200 x 16 = 3200 stappen per omwenteling, dan wordt de motor nog preciezer. En in plaats van 1,8 graden per stap wordt het bij 1/16 stap 360 : 3200 = 0,1125 graden per stap.

Een nadeel is wel dat de stapfrequentie omhoog moet voor een redelijk toerental van de stappenmotor. Maar meestal kunnen we wel voldoen met hele en halve stappen, zeker als het voor de hobby is en voor experimenten met stappenmotoren. We gaan nu het stappendiagram van een stappenmotor met hele stappen eens bekijken. Zie het voorbeeld hieronder.

Hele stappen - CW

Hier zie je hoe de spoelen aangestuurd moeten worden om de motor te laten draaien. Je ziet dat er steeds vier stappen gemaakt worden, als hij bij stap vier is wordt er weer naar stap één gesprongen. Er staat ook CW bij, clockwise, dus met de klok mee.

Als je de stappenmotor nu de andere kant op wil laten draaien, moet het stappendiagram anders afgelopen worden.

Hele stappen - CCW

Hierboven zie je het stappendiagram voor CCW, counterclockwise, tegen de klok in dus. Je kan zien dat stap vier bij CW nu stap één bij CCW geworden is. Stap drie bij CW wordt stap twee bij CCW, stap twee bij CW wordt stap drie bij CCW, en stap één bij CW wordt stap vier bij CCW. Op deze manier kan je de stappenmotor de andere kant op laten draaien.

Dit zijn hele stappen, maar je kan zelf ook halve stappen maken. Dan komen er vier stappen bij.

Halve stappen - CW

Op het voorbeeld hierboven kan je zien hoe dat eruit ziet. Dit is weer clockwise, dus met de klok mee. De stappen lopen nu van stap één tot en met acht, als stap acht bereikt is dan wordt er weer naar stap één gesprongen. De stappen twee, vier, zes, en acht zijn erbij gekomen. Deze stappen zijn er tussen gevoegd, dus een stappenmotor met 200 stappen maakt nu ineens 400 stappen per omwenteling. Een 200 staps stappenmotor maakt nu geen 1,8 graden per stap, maar 0,9 graden per stap.

Hieronder het voorbeeld voor halve stappen CCW.

Halve stappen - CCW

Hier geldt eigenlijk precies hetzelfde als bij het hele stappendiagram. Stap acht van CW wordt stap één bij CCW, stap zeven bij CW wordt stap twee bij CCW, enzovoort.

Als de draairichting nu niet overeenkomt met CW en CCW uit het stappendiagram, dan kan de bedrading van de stappenmotor omgedraaid worden. A.1 en B.2 worden dan omgewisseld, en A.2 en B.1 worden dan omgewisseld. Op deze manier moet de draairichting dan weer kloppen met het stappendiagram.

Microstepping

Hieronder nog een voorbeeld hoe microstepping opgebouwd wordt. Je kan zien dat er een sinus digitaal opgebouwd wordt, de blauwe lijnen die je ziet stellen de stappen voor. Dit is in software te maken, maar dit is niet makkelijk. Er zijn standaard microstepping drivers te koop die dit voor je doen.

Microstepping