Stappenmotor

Onderwerpen:

Inleiding
Stappenmotor met permanente magneet (PM-type)
Variabele reluctantie stappenmotor (VR)
Hybride stappenmotor

Inleiding:
Een stappenmotor is, zoals de naam al doet vermoeden, in meerdere stappen in te stellen. Het aantal stappen kan variëren. Afhankelijk van de toepassing, kan de stappenmotor vanaf 4 tot wel 200 stappen verstellen per rotatie, wat neer kan komen op een gecontroleerde verdraaiing vanaf 0,8° rotorverdraaiing.
De hoekverdraaiing is bij een stappenmotor zeer nauwkeurig te bepalen. De stappenmotor is in feite een synchrone DC-elektromotor zonder koolborstels omdat de onderdelen en aanstuurmethoden zeer veel overeenkomsten hebben, maar onderscheit zich toch van deze gelijkstroommotor door de volgende eigenschappen:

Een stappenmotor heeft een relatief groot koppel bij lage toerentallen en kan daarmee zeer snel vanuit stilstand opstarten;
De beweging van een stappenmotor is langzaam en zeer nauwkeurig. De DC-motor wordt toegepast om langdurig snel te kunnen draaien;
De rotatiesnelheid en positie van de stappenmotor wordt geregeld door een aanstuursignaal vanuit de regeleenheid. Daardoor is geen positiesensor of een andere vorm van feedback nodig;
Een stappenmotor maakt meer geluid en veroorzaakt meer trillingen in vergelijking met een borstelloze DC-motor.

De stappenmotor wordt op veel plaatsen in de auto gebruikt om onderdelen een gecontroleerde elektrische beweging te laten maken. Hieronder volgen drie toepassingen waarin de stappenmotor is te vinden, te weten: voor de stationairregeling, de wijzers in het instrumentenpaneel en de kachelkleppen voor de ventilatieregeling.

Stappenmotor voor de stationairregeling:
De gasklep van een benzinemotor is in rust gesloten. Om de motor stationair te kunnen laten draaien is een kleine opening gewenst. Ook moet de doorlaat regelbaar zijn, omdat de temperatuur en belasting (bijv. bij ingeschakelde verbruikers zoals de aircopomp) invloed hebben op de benodigde hoeveelheid aangezogen lucht.
Bij moderne motoren wordt de stand van de gasklep nauwkeurig geregeld. Ook vinden we systemen waarbij de gasklep volledig is gesloten en de lucht via een bypass- (omloop)regeling om de gasklep heen wordt geleidt. De luchtomloop kan zowel via een PWM-gestuurde DC-motor worden als door een stappenmotor worden gerealiseerd. Zie hiervoor de pagina over de gasklep.

De onderstaande drie afbeeldingen zijn van een stappenmotor welke dient als stationairregelaar. De opening van de bypass wordt geregeld door de as met het conische uiteinde. Het verdraaien van het anker in de stappenmotor heeft een verdraaiing van het wormwiel tot gevolg.

Linksom draaien: wormwiel draait naar binnen (grote opening in de bypass);
Rechtsom draaien: wormwiel draait naar buiten (kleine opening in de bypass).

Instrumentenpaneel:
Het instrumentenpaneel is vaak uitgevoerd met meerdere stappenmotoren voor de tankniveaumeter, snelheidsmeter, toerenteller, motortemperatuur en in het onderstaande voorbeeld ook de verbruiksmeter onder de toerenteller. Hieronder staat het instrumentenpaneel van een BMW afgebeeld.

Aan de achterzijde (binnenzijde) van het instrumentenpaneel vinden we de vijf stappenmotoren met zwarte behuizing. Rechts zien we de desbetreffende stappenmotor zonder behuizing. Hier zijn duidelijk de twee spoelen te zien en de vier aansluitingen (twee links, twee rechts) waaraan we de bipolaire stappenmotor kunnen herkennen. De stappenmotor kan de wijzernaalden in kleine stapjes verstellen. Het commando om te verstellen komt van de ECU in het instrumentenpaneel.

Het volgende schema weergeeft de in- en outputs van de stappenmotordriver. Dit is de IC in het instrumentenpaneel die binnenkomende informatie vertaalt naar een output voor de stappenmotor:

brandstofniveau in de tank (tankvlotter);
voertuigsnelheid (impulsgever in versnellingsbak of ABS-sensoren);
motortoerental (krukaspositiesensor);
temperatuur (koelvloeistoftemperatuursensor).

In het blokschema weergeven de rode en groene pijlen de aansluitingen (A t/m D) op de spoelen in de stappenmotor.

Luchtgeleidingskleppen in het kachelhuis:
We vinden vaak stappenmotoren in het elektronisch bediende luchtventilatiekleppen in het kachelhuis. De onderstaande afbeeldingen tonen een foto van een luchttemperatuurklep (links) en een illustratie van de inbouwpositie (rechts). De stappenmotor bedient de klep door middel van het mechanisme, waarin nummer 4 in de illustratie het scharnierpunt aangeeft. Bij het onjuist functioneren van de stappenmotor, of na het vervangen, dienen de begin- en eindpositie in de ECU bekend te worden gemaakt. Met diagnoseapparatuur kunnen we de klepaanslagen inleren, zodat de ECU weet wanneer de klep volledig is geopend of gesloten, zodat hij ook kan bepalen hoelang hij de stappenmotor aan moet sturen om de klep gedeeltelijk te openen.

Stappenmotor met permanente magneet (PM-type):
Dit type stappenmotor heeft een rotor met een permanente magneet. Het voordeel van deze stappenmotor is de eenvoudige constructie en daarmee een lage kostprijs. Hieronder volgt informatie over de werking van deze stappenmotor.

De rotor van de stappenmotor kan een volledige rotatie maken met meerdere tussenstappen. In het voorbeeld in de onderstaande vier afbeeldingen zijn er vier tussenstappen per rotatie getoond. De rotor kan dus elke 90 graden worden stilgezet. De linker stappenmotor staat in stand 1, met de noordpool van de rotor aan de bovenkant en de zuidpool aan de onderkant. Om de rotor 90 graden met de klok mee te bewegen, wordt de stroom van de spoel met aansluitingen C en D onderbroken en wordt de andere spoel bekrachtigd. Dit is te zien in de tweede stappenmotor. De linker poolschoen wordt rood (de noordpool) en de rechter wordt zwart (de zuidpool). Daardoor zal de rotor in positie 2 komen te staan.

Bij stand 3 en 4 werkt dit ook op deze manier; de spoel tussen C en D wordt voor stand 3 bekrachtigd, alleen loopt de stroom hierbij in de tegenovergestelde richting als bij stand 1. De bovenste poolschoen is nu de noordpool en de onderste is de zuidpool. De rotor zal nu in stand 3 komen te staan. Voor stand 4 wordt de onderste spoel weer bekrachtigd en zal de rotor verdraaien naar stand 4.

De stappenmotor met vier standen kan elke 90 graden stil worden gezet. Wanneer dit onvoldoende is voor de toepassing waarvoor de stappenmotor gebruikt wordt, kan deze ook in acht stappen worden ingesteld. Dit is met dezelfde stappenmotor mogelijk, alleen zullen bij deze tussenstappen beide spoelen tegelijk bekrachtigd worden.

In de onderstaande afbeelding zijn deze tussenstappen te zien. Dit zijn de stappen 5 tot en met 8. Zoals je kunt zien, zit stand 5 tussen stap 1 en 2 in. Dat zelfde geldt voor stap 6 (tussen stap 2 en 3 in) etc. Bij deze tussenstappen loopt er een stroom door beide spoelen.
Wanneer de rotor naar stap 5 verdraaid dient te worden, loopt er zowel in de onderste spoel van A naar B, als in de bovenste spoel van C naar D een stroom. Er zijn nu dus twee noordpolen (de rode poolschoenen) en twee zuidpolen (de zwarte poolschoenen). De rotor zal in stand 5 komen te staan.

Om de rotor 45 graden verder te laten verdraaien (naar stand 2), is het schema van de stappenmotor met vier standen weer van toepassing. Daarbij zal de onderste spoel weer bekrachtigd worden om een stroom van A naar B te laten lopen.
Wordt vervolgens de stappenmotor weer 45 graden verder verdraaid (naar stand 6), dan zal de bovenstaande afbeelding weer van toepassing zijn, waarbij beide spoelen zijn bekrachtigd.

De stappenmotor wordt altijd aangestuurd door een regelapparaat. De transistoren in het driver-ic van het regelapparaat zorgen voor de stroomtoevoer en afvoer van en naar de poolschoenen. In het regelapparaat zitten acht transistoren. Door deze acht transistoren op de juiste manier aan te sturen, zal de stappenmotor in vier of acht stappen een volledige omwenteling maken. De omwenteling kan in twee richtingen; linksom en rechtsom. Het regelapparaat zorgt dat de juiste transistoren in geleiding worden gebracht.

In de afbeelding zien we een stappenmotor welke wordt aangestuurd met een regelapparaat. De transistoren 1 en 4 zijn in geleiding gebracht. Om de aansturing te verduidelijken zijn de transistoren en draden rood en bruin gekleurd. Transistor 1 (rood) koppelt aansluiting A aan de plus en transistor 4 (bruin) koppelt aansluiting B aan massa.

Omdat de transistoren 2 en 3 niet in geleiding zijn gebracht, loopt daar geen stroom doorheen. Wanneer dit wel het geval zou zijn, dan zou er kortsluiting ontstaan.
In de afbeelding staat de stappenmotor een klein stukje verder verdraaid. Daarvoor dienen de transistoren 6 en 7 ook in geleiding te worden gebracht.

Om de stappenmotor weer iets verder te laten verdraaien, stopt de geleiding van de transistoren 1 en 4. Alleen transistoren 6 en 7 geleiden nog, waardoor de stappenmotor positie 3 aanneemt.

Voor de volgende stap dienen transistoren 2 en 3 in geleiding te worden gebracht.

Variabele reluctantie stappenmotor (VR):
Net als de stappenmotor met permanente magneten, bevat de variabele reluctantiestappenmotor statorpolen met spoelen. Hij onderscheidt zich van de eerder behandelde stappenmotor met zijn getande rotor van ferromagnetisch metaal, zoals nikkel of ijzer. Dat betekent dat de rotor niet magnetisch is. Dit type stappenmotor wordt tegenwoordig nog zeer weinig toegepast.

De statorspoel aan de ene kant (A) is het tegenovergestelde gewikkeld als de spoel aan de andere kant (A’). Hetzelfde geldt uiteraard voor B en B’ etc. De tanden van de rotor worden aangetrokken door de magnetische flux die ontstaat door de statorspoelen te bekrachtigen.

De voordelen van de VR-stappenmotor t.o.v. de uitvoering met permanente magneten zijn:

Wegens het ontbreken van de permanente magneten is de productie van de VR-stappenmotor minder milieubelastend;
Het is niet nodig om de polariteit van de statorspoelen om te draaien. Dit maakt een eenvoudigere aansturing mogelijk;

De nadelen zijn:

Laag koppel;
Lage nauwkeurigheid;
Hogere geluidsproductie. Het aantal toepassingen, waaronder de automotive, zijn hierdoor beperkt;
Door het ontbreken van de permanente magneten is er geen sprake van een vasthoudkoppel bij stilstand.

Hybride stappenmotor:
De hybride stappenmotor heeft een getande rotor met permanente magneten en een getande stator met acht spoelen met een kleine luchtspleet tussen de rotor en stator. De rotor bestaat uit twee tandwielen die 3,6° van elkaar zijn verschoven. In de binnenzijde van de rotor bevindt zich een grote magneet. Over de magneet zijn twee stalen tandwielen geperst. De tandwielen worden door de aanwezigheid van de magneet tevens magnetisch. Het ene tandwiel is gemagnetiseerd als noordpool en de andere als zuidpool. Iedere tand op de rotor wordt een magnetische pool. We spreken dan ook over de “noordpoolrotor” en de “zuidpoolrotor”. Door de verschuiving van de tandwielen zullen de noord- en zuidpolen elkaar tijdens het draaien afwisselen. Ieder tandwiel heeft 50 tanden.

Op het moment dat de stappenmotordriver stroom door een statorspoel laat geleiden, wordt de spoel magnetisch. De noordpolen van de spoelen zullen de zuidpolen van de rotor aantrekken, waardoor de rotor gaat draaien.

In de onderstaande drie afbeeldingen is de aansturing van de twee fasen (rood en oranje) van de hybride stappenmotor te zien.

A. De rotor van de stappenmotor is naar de huidige positie gedraaid (zie de afbeelding) doordat de getoonde spoelen magnetisch zijn gemaakt.

Het groene tandwiel is de zuidpool, welke wordt aangetrokken door de noordpolen op de stator;
De tanden tussen de rotor en stator staan met elkaar in lijn op de plaatsen waar de rotor naartoe is getrokken. Voor de duidelijkheid zijn bij alle drie de situaties deze punten met een zwarte markering aangegeven;
Het rode tandwiel bevindt zich achter het groene tandwiel. Doordat de tandwielen ten opzichte van elkaar zijn verdraaid, zijn de rode tanden zichtbaar. De noordpolen op de rotor worden aangetrokken door de zuidpolen op de stator.

B. De aansturing is van fase gewisseld. Het magnetisch veld tussen de oranje spoelen en de rotor is weggevallen. Nu worden de spoelen van de “rode” fase aangestuurd waardoor het magnetisch veld wordt opgebouwd tussen de rode spoelen en de rotor.

Als gevolg van het wisselen van het magnetisch veld van de oranje naar de rode spoelen, verdraait de rotor 1,8° rechtsom;
Om de rotor in plaats van rechtsom, linksom te laten verdraaien, diende de polariteit (stroomrichting) door de rode aansluitingen te worden omgedraaid. De stroomrichting door de spoel bepaalt immers de richting van het magnetisch veld, en daarmee de “positie” van de noord- en zuidpolen.

C. De aansturing is opnieuw van fase verwisseld en de rotor is daardoor weer 1,8° met de klok mee verdraaid.

Dezelfde spoelen als in situatie A zijn bekrachtigd, maar de polariteit op de oranje draden is omgewisseld;
De rotor kan weer linksom worden gedraaid door de spoelen aan te sturen zoals in situatie B is getoond;
Om de rotor rechtsom te laten draaien, worden eveneens de rode spoelen bekrachtigd, maar wordt ten opzichte van situatie B de polariteit omgewisseld.

In de bovenstaande voorbeelden is te zien dat de noordpoolrotor wordt aangetrokken door een zuidpool-spoel en tegelijkertijd de zuidpoolrotor wordt aangetrokken door een noordpool-spoel. Dit zorgt ervoor dat de hybride stappenmotor zeer precieze bewegingen maakt en tevens een hoog koppel heeft.

De hybride stappenmotor kan worden uitgevoerd met meer poolparen en meer tanden op de rotor waarmee de stappen tot wel 0,728° en 500 stappen per omwenteling kunnen worden bereikt.

Gerelateerde pagina’s: