Werken met stappenmotoren

Gepost door Jeroen Vreuls op zondag 18 oktober 2015 16:08

Bipolaire motoren

We gaan nu een voorbeeld bekijken van een bipolaire stappenmotor, zie hieronder. Hier zie je hoe een bipolaire stappenmotor opgebouwd is, je kan zien dat de motor maar vier aansluitdraden heeft, A+, A-, B+, en B-. Let wel dat beide voorbeelden zowel unipolair als bipolair (zoals ze getekend zijn) in het echt stappen van 90 graden zouden maken. Dit zijn dus schematische voorbeelden.

Een bipolaire stappenmotorEen bipolaire stappenmotor

Aansturing

De aansturing van een bipolaire stappenmotor gebeurd met acht transistoren of MOSFET's, deze halfgeleiders staan opgesteld in een zogenaamde H-brug (hier zijn er twee van nodig). Dit is nodig omdat de polariteit van de spoelen gewisseld wordt. Zo'n besturing kan je zelf maken met losse componenten, of met drivers in IC-vorm.

De L298 is daar een voorbeeld van, samen met de L297 is daar een stappenmotor driver mee te maken. Maar ook met een IC als de DRV8825 (een microstepping driver) is een prima stappenmotorregeling te maken.

Aansturing van een bipolaire stapppenmotor met 2 H-bruggenAansturing van een bipolaire stapppenmotor met 2 H-bruggen

Hierboven een voorbeeld van een besturing met een dubbele H-brug. Zoals je kan zien wordt spoel A en spoel B ieder door een brug aangestuurd. Iedere brug bestaat uit twee PNP en twee NPN transistoren. Deze configuratie vindt je ook terug in de L298. In beide voorbeelden (zowel bij het voorbeeld van de unipolaire eindtrap als bij de bipolaire eindtrap) missen nog wat componenten. De belangrijkste zijn de vrijloopdiodes. Deze zijn nodig om de transistoren of de MOSFET's te beschermen tegen de inductie van de spoelen die optreed tijdens het draaien van de stappenmotor.

Als er gebruik gemaakt wordt van MOSFET's, kunnen er nog wat meer componenten ter bescherming bij komen. Dit kunnen zenerdiodes zijn om de gate te beschermen, of om de drain-source overgang te beschermen. Ook kan er een RCD (een combinatie van een weerstand, condensator en een diode) over de spoel naar de drain-aansluiting gezet worden. Later daarover meer.

Zoals je in het voorbeeldschema kan zien, zijn de twee bruggen (zowel boven als onder) met elkaar verbonden. Hier wordt de voedingsspanning voor de stappenmotor op gezet. De basissen van de transistoren kunnen bijvoorbeeld door een microcontroller aangestuurd worden.

Spanning en stroom

Even iets over de spanning en stroom van de stappenmotoren. Als je in een datasheet kijkt van een bepaald type stappenmotor, dan zie je dat daar een spanning en stroom waarde bij staan. Als er bijvoorbeeld een spoelspanning van 5 VDC bij staat, wil dat niet zeggen dat je de stappenmotor alleen maar met 5 VDC mag voeden. Dat mag best meer zijn, als de stroom maar geregeld wordt, je ziet dan ook op alle gekochte drivers dat de stroom ingesteld kan worden. En dat is niet voor niets gedaan. Op deze manier kan je de stappenmotor dus ook met een hogere spanning voeden dan waar hij eigenlijk voor bedoeld is. De stroomregeling in zo'n driver gebeurd door middel van een zogenaamd PWM-signaal, dat is een signaal met een vaste frequentie en een variabele pulsbreedte.

Een PWM-signaalEen PWM-signaalZie hiernaast het voorbeeld. De tijd dat er stroom door de spoelen kan lopen wordt bepaald door de pulsbreedte van het PWM signaal. Op deze manier kan de stroom door de spoelen dus prima geregeld worden.

Er zijn ook twee verschillende stromen die door de spoelen lopen, dat is de houdstroom (de stroom door de spoelen als de motor stilstaat) en de stroom die er loopt als de motor draait. Als de stroom door de spoelen hetzelfde zou zijn tijdens draaien en stilstaan, dan zou de stappenmotor veel te heet worden als deze stil staat, met kans op verbranden van de spoelen. Bij de kleinere stappenmotoren (bijvoorbeeld uit printers) kan dit ook met een voorschakelweerstand opgelost worden. Door deze tussen de voeding te zetten wordt de stroom dan beperkt, vaak is een weerstand van een paar Ohm al voldoende. Het moet wel een weerstand zijn die de stroom aan kan natuurlijk.

We hadden het net over de spanning die op de spoelen mag komen te staan. Als je een stappenmotor een hoger toerental wil laten maken, moet de spanning door de spoelen ook omhoog. Maar let er wel op dat je een stappenmotor met bijvoorbeeld een spoelspanning van 5 VDC niet gaat voeden met een spanning van 60 VDC, ook met een goede stroomregeling slaat zo'n motor toch door op een gegeven moment. Maar voeden met 12 tot 15 VDC is geen probleem.

Er zijn professionele systemen die met bijvoorbeeld 150 VDC of meer werken, die stappenmotoren halen dan ook een veel hoger toerental. Maar met een simpele regeling en stappenmotoren uit een printer moeten we genoegen nemen met een toerental tussen de 60 en 120 toeren per minuut, als je tenminste nog een beetje koppel wil hebben aan de as. Maar voor experimenten en kleine machines (denk aan X, Y tafels) is dat meer dan voldoende.

We hebben nu de unipolaire en bipolaire stappenmotoren behandeld, maar er zijn nog een paar types. We hebben de hybride en de reluctantie stappenmotoren nog niet gehad.