Stappenmotor
Release status: documentation
| Description | hardware
|
| License | GPL
|
| Author | |
| Contributors | |
| Categories | |
| CAD Models | |
| External Link |
Inleiding
Een stappenmotor is één soort elektromotor die wordt gebruikt in de robotica-industrie. Stappenmotoren bewegen een bekend interval voor elke krachtpuls. Deze krachtpulsen worden geleverd door een stappenmotor motor driver en worden een stap genoemd. Omdat elke stap de motor over een bekende afstand verplaatst, zijn het handige apparaten voor herhaalbare positionering. Er is een goed artikel op Wikipedia waarin de technologie achter stappenmotoren wordt uitgelegd. De mechanische werking van een stappenmotor wordt getoond indit artikel.
Eigenschappen
Staphoek
Stappenmotoren hebben een staphoek. Een volledige cirkel van 360° gedeeld door de staphoek geeft het aantal stappen per omwenteling weer. 1,8° per volledige stap is bijvoorbeeld een gebruikelijke stapgrootte, gelijk aan 200 stappen per omwenteling.
De meeste stappenmotoren die voor een Mendel worden gebruikt, hebben een staphoek van 1,8 graden. Het is soms mogelijk om motoren met grotere staphoeken te gebruiken, maar om nauwkeurig te kunnen printen moeten ze omlaag worden gezet om de hoek die per stap wordt verplaatst te verkleinen, wat kan leiden tot een lagere maximumsnelheid.
Micro-stepping
Een stappenmotor heeft altijd een vast aantal stappen. Microstepping is een manier om het aantal stappen te vergroten door een sinus-/cosinusgolfvorm naar de spoelen in de stappenmotor te sturen. In de meeste gevallen zorgt micro-stepping ervoor dat stappenmotoren soepeler en nauwkeuriger werken.
Microsteppen tussen poleposities gebeurt met een lager koppel dan bij volledige stappen, maar heeft veel minder neiging tot mechanische oscillatie rond de stapposities en je kunt met veel hogere frequenties rijden.
Als uw motoren bijna mechanische beperkingen hebben en u een hoge wrijving of dynamiek heeft, geven microstappen u niet veel meer nauwkeurigheid dan halve stappen. Als je motoren 'overpowered' zijn en/of je hebt niet veel wrijving, dan kan microstepping je een veel hogere nauwkeurigheid geven dan halve stappen. U kunt de hogere positioneringsnauwkeurigheid ook omzetten in bewegingsnauwkeurigheid.
Bipolar
Bipolair verwijst naar de interne onderdelen van de motor, en elk type heeft een andere stappenmotorprintplaat om deze te besturen. In theorie zou een RepRap een unipolaire motor kunnen gebruiken, maar in de praktijk zijn de meeste bipolair. Ze zijn ook het type motoren dat we gebruiken in de Mendel- en Darwin-ontwerpen van het RepRap Project.
Bipolaire motoren zijn het sterkste type stappenmotor. Je identificeert ze door het aantal leads te tellen; het moeten er vier of acht zijn. Ze hebben twee spoelen aan de binnenkant, en het ronddraaien van de motor wordt bereikt door de spoelen te bekrachtigen en de richting van de stroom binnen die spoelen te veranderen. Dit vereist complexere elektronica dan een unipolaire motor, daarom gebruiken we een speciale driverchip om dat allemaal voor ons te regelen. Bij sommige ontwerpen (de achtdraads) wordt elke spoel in het midden gesplitst, zodat je de motor bipolair (kort de middens) of unipolair (kort de middens en behandel de verbinding als de middenaftakking - zie hieronder) kunt aansluiten.
Unipolar
Unipolaire motoren hebben ook twee spoelen, maar elke spoel heeft een middenaftakking. Ze zijn gemakkelijk herkenbaar omdat ze 5, 6 of zelfs 8 leads hebben. Het is mogelijk om unipolaire motoren met 6 of 8 draden aan te drijven als bipolaire motoren als u de middelste aftakkingsdraden negeert. Bij een 5-polige motor zijn beide middenkranen aangesloten, dus als je ze opnieuw wilt bedraden naar een 4-polige versie, moet je op zijn minst de motor openen, als dat al mogelijk is.
Het mooie van unipolaire motoren is dat je ze kunt laten schakelen zonder dat je de richting van de stroom in een spoel hoeft om te keren, wat de elektronica eenvoudiger maakt. Sommige vroege RepRap-prototypes gebruikten deze truc. Omdat de middenaftakking wordt gebruikt om slechts de helft van elke spoel tegelijk te bekrachtigen, hebben unipolaire motoren over het algemeen minder koppel dan bipolaire motoren.
Holding torque
Stepper motors do not offer as much torque or holding force as comparable DC servo motors or DC gear motors. Their advantage over these motors is one of positional control. Whereas DC motors require a closed loop feedback mechanism, as well as support circuitry to drive them, a stepper motor has positional control by its nature of rotation via fractional increments.
The Mendel officially requires approximately 13.7 N·cm torque (19.4 ozf·in) of holding torque (or more) for each of the X, Y and Z axis motors to avoid issues, although one stepper with less has been used successfully (see below). Recent designs for extruders (ExtruderController) almost exclusively require stepper motors as well, but no torque requirements have been given in those designs. If in doubt, higher is better.
For Wade's Geared Extruder (most widely used one as of 2012) it is suggested to use motor that is capable of creating a holding torque of at least 40 N·cm.
If you need to convert between different units for the torque you can use the torque unit converter.
Maat
De fysieke grootte van stappenmotoren wordt meestal beschreven via een in de VS gevestigde NEMA-standaard, die het boutpatroon en de asdiameter beschrijft. Naast de NEMA-grootteclassificatie worden stappenmotoren ook beoordeeld op basis van de diepte van de motor in mm. Normaal gesproken is het vermogen van een motor evenredig met de fysieke grootte van de motor.
Als u de kleinere NEMA 14 motoren gebruikt, streef dan naar de optie met hoog koppel. NEMA 14's zijn netter, lichter en kleiner, maar kunnen moeilijk te verkrijgen zijn met het juiste houdkoppel. NEMA 17s zijn vrij gemakkelijk te verkrijgen in de specificatie die Mendel nodig heeft, maar zijn uitgebreidere en minder netjes. NEMA 14's rennen langs de rand van hun envelop: ze zullen warm worden. NEMA 17's doen ruimschoots wat ze kunnen, en zullen veel koeler werken.
NEMA
Verwijst naar de framegrootte van de motor zoals gestandaardiseerd door de VS National Electrical Manufacturers Association in zijn .pdf Publicatie ICS 16-2001. Het specificeert de 'face'-grootte van de motor, maar niet de lengte ervan. Een NEMA 23-stepper heeft bijvoorbeeld een oppervlak van 2,3 x 2,3 inch met bijpassende schroefgaten. Let op: het feit dat een motor groter is, betekent niet dat hij krachtiger is qua koppel. Het is perfect mogelijk dat een NEMA 14 een NEMA 17 of een NEMA 23 'uittrekt'.
Gebaseerd op de NEMA 17-specificatie (voor zover ik kan vinden) bevinden de montagegaten zich op een afstand van 31 mm (1,22 inch) langs de rand van de motor. Dit zou moeten helpen als u tweedehands/gerecycleerde onderdelen gebruikt.
Schacht
Elk onderdeel dat op een stappenmotoras past, verwacht dat de as ongeveer Ø 5 mm is. Indien de as een afwijkende maat heeft, dient u hiermee rekening te houden in de (kunststof) onderdelen die u verkrijgt/maakt.
Bedrading
Stappenmotoren zijn verkrijgbaar in verschillende bedradingsconfiguraties. Het is vrij gebruikelijk om 4, 6 en 8 draden te vinden, en deze werken prima met de standaard RepRap-elektronica. Er bestaan stappenmotoren met 5 draden, maar deze werken niet met de standaard RepRap-elektronica, omdat de 5e draad op beide spoelcentra wordt aangesloten. Zie stappenbedrading voor meer details.
Warmte
De meeste motorspecificaties geven de stroom voor twee spoelen aan die een stijging van 80 °C zal opleveren, d.w.z. ze kunnen draaien op 100 °C! Wanneer u ze op plastic beugels gebruikt, moet u ze onderlopen om te voorkomen dat de beugels smelten. Met de glasovergangstemperatuur van PLA tussen 60-65 °C moet je ze serieus ondermijnen! Gelukkig is de temperatuurstijging evenredig met het vermogen, dat op zijn beurt evenredig is met het kwadraat van de stroom (P=I2R), maar het koppel is direct proportioneel, zodat je de temperatuur onder controle kunt houden zonder al te veel koppel te verliezen . Als u bijvoorbeeld een stepper laat draaien op 70% van de nominale stroom, zou dit resulteren in 70% van het koppel en 49% (0,72=0,49) van de vermogensdissipatie en thermische stijging.
Power and current
All recent stepper controllers use a current-limiting design. Because of this, the resistance (ohms, Ω) of the coils doesn't matter, as long as it is low enough for the current to rise fast enough for the current-limiting design to come into play. If the resistance is too high (i.e. 24 V steppers) the current simply doesn't raise enough. For this reason, stepper motors rated for 3-5 V and 1-1.5 A are generally recommended, as these motors will perform near their peak torque with a current-limiting stepper controller (such as a Pololu A4988).
Designs which use a separate "extruder controller board" sometimes use H-bridges (which are designed for running a DC motor) instead of a proper current-limiting stepper controller. On these boards, you need to be careful not to turn the current (PWM) too high, especially with low-ohm (low voltage) motors. You run the risk of overheating both the stepper motor and the H-bridge chip.
Getting and using your stepper motors
Purchasing a motor
The following are unscientific rules of thumb for purchasing the right motor:
- Generally, the longer the motor body, the more torque the motor has.
- If a motor is rated to more amps or volts than your driver can produce, your motor will not produce the manufacturer's rated torque.
- A motor can safely exceed its rated voltage with a chopping stepper driver (which is all the RepRap stepper drivers, save only the Gen3 electronics extruder board hack). A motor that exceeds its rated current (amps) will severely overheat and die a quick death.
- Stepper motors are generally rated for a 50 °C temperature rise at rated current/torque.
- ABS melts at 105-120 °C but softens at 80 °C. Therefore you probably can't run your steppers at their full rated torque without melting your plastic motor mounts.
- Power is measured in watts (W) and is calculated as volts (V) × current (A).
- Power made available to a motor will be turned into heat and motion.
- The more power made available to the motor the higher the amount of heat and motion. Heat is proportional to current squared while motion is proportional to current, so losing a little motion (torque) can lose a lot of heat.
- Current and torque are related. The more current, the more torque. More current also means more power requirement and more heat on motor and stepper driver.
- A motor's rated amps, volts, or ohms (if missing from the spec sheet) can be calculated with the other two numbers using Ohm's law. Or you can cheat and use a calculator.
Does the rule of thumb at Massmind: Estimating Stepper Motor Size work for RepRaps/RepStraps?
Models
The different stepper motor models can be found on their respective pages:
- NEMA 08 Stepper motor
- NEMA 11 Stepper motor
- NEMA 14 Stepper motor
- NEMA 17 Stepper motor
- NEMA 23 Stepper motor
Discovering unknown motors
For starters, see what Traumflug wrote in the forum (in german).
Driving stepper motors
To control your stepper motor, you'll need a stepper motor driver.
Wiring Your Stepper
See Stepper wiring.
Electro-mechanical linear actuators
As an alternative, rather than the motor spinning the lead screw as in most CNC designs, a linear actuator spins an internal lead nut. This pulls the motor up and down a stationary lead screw that passes all the way through the motor. The electronics works identically to other stepper motors - standard stepper motor electronics can drive it. One RepRap researcher points out that this makes the mechanics simpler and, with a few changes to the design, could potentially lower total cost of a RepRap. See First tests of the Haydon linear actuator stepper motor[1][2] by Forrest Higgs.
Further reading
- Stepper motor driver
- Motor control loop
- NEMA_17_Stepper_motor
- Printed stepper motors
- Choosing_stepper_for_a_delta
- [3] Some details about steppers and driver electronics