In deze eerste aflevering duiken we samen met Kor en Hendrik in de wereld van de stappenmotor. Waarom koos hij voor deze motor en niet voor een servo- of conventionele variant? Aan de hand van een praktijkvoorbeeld vertelt Hendrik wat de stappenmotor zo interessant maakt en wanneer jij er juist wel of niet voor moet kiezen.
Je luistert naar IA in 15 minuten, een podcast van Progressus. We maken industriële automatisering begrijpelijk, praktisch en interessant. Elke week een kwartier vol techniek zonder ruis. Mijn naam is Kor Henssens. Start de machine, we gaan beginnen.
Vandaag bespreken we de stappenmotor. Voor handelsonderneming Van Dijk hebben wij meegeholpen in de automatisering van een hulzenrecyclingmachine. De aandrijving van deze machine wordt gedaan door een stappenmotor. Dit ga ik bespreken met mijn collega Hendrik Nieboer.
Wat is het verschil tussen een stappenmotor en een servomotor?
Waarom heb je bij dit project gekozen voor de stappenmotor en niet voor bijvoorbeeld een servomotor?
Hendrik: Ik denk dat het antwoord daarin vooral ligt wat het verschil is tussen een stappenmotor en een servomotor. Eigenlijk is een stappenmotor naar mijn mening een wat simpelere techniek.
Bij een servomotor wordt gebruikgemaakt van feedback. Je moet bijvoorbeeld een encoder plaatsen of die zit er eigenlijk al bij die bijhoudt waar de motor zich bevindt of waar de as zich bevindt. Bij een stappenmotor heb je dat niet. Je zegt hem: maak zoveel stapjes vooruit en dan geef je hem zoveel pulsjes en gaat hij zoveel stapjes vooruit. En dat is voor positionering heel goed te gebruiken.
Een voorbeeld uit de praktijk
En ten opzichte van een conventionele motor?
Hendrik: Die zat eerst op deze machine. Om het een beetje duidelijker te maken: het gaat hier om een schijf die ronddraait. Een schijf van 30 centimeter doorsnede. Ik geloof dat die twee centimeter dik is. Best een zware schijf.
Het idee is, dat hij moet bij iedere actie of na iedere actie 30 graden draaien. Hij draait een rondje 360 graden daar zitten twaalf gaten in, dus dan kun je uitrekenen. Hij moet iedere keer 30 graden draaien. En dat is een x-aantal stapjes. En Johan, jij hebt het over Van Dijk, maar ik mag Johan zeggen, die had daar in eerste instantie een normale motor opgezet die iedere keer moet starten stoppen starten stoppen.
Er zat geen aandrijving op, dat is nog steeds zo. De schijf zit direct op de motor gemonteerd. Dertig graden draaien voor een normale motor is best pittig. Tegen de tijd dat die op gang komt, moet hij eigenlijk alweer stoppen. Dus de rem trok dat niet, die er achterop zit. Voor een conventionele motor is dat niet het doel eigenlijk. Die wil gewoon draaien, daar komt het op meer.
Als ik het goed begrijp is er ook wel een motor gesneuveld?
Hendrik: Ja, klopt. De spullen lagen eronder. De rem ging eraan. In het begin ging het goed. Als je een nieuwe motor monteert dan doet hij het. Na x-aantal keren start-stoppen dan zegt hij: ‘doe het zelf maar’. Dan begint hij door te schieten en al dat soort ellende.
Hier heb je eigenlijk het voorbeeld voor een schijf waar je op een bepaalde positie moet zijn. Is de stappenmotor het meest geschikt? Waarvoor zou je een servomotor inzetten?
Hendrik: Ik wil niet zeggen als je nauwkeuriger wil werken, maar een stappenmotor werkt eigenlijk ook heel nauwkeurig. Het voordeel van een ‘servo’ is dat als hij doorschiet dat hij kan corrigeren. Hij kan in theorie weer terugdraaien naar de positie waar hij eigenlijk had willen zijn als hij doorschiet.
Een stappenmotor schiet niet door. Misschien dat bij zwaardere belastingen, als het echt om kracht moet gaan, een servomotor wat beter uit de bus komt.
Misschien de vliegtuigindustrie. Dat zijn ook servo’s. En dan nog de conventionele motor, waar kun je die als voorbeeld voor noemen?
Hendrik: dat is een makkie natuurlijk, dat is gewoon voor dingen die continu draaien. Voor lopende bandjes, die continu draaien, daar gebruik je eigenlijk een conventionele motor voor. Bandjes die niet iedere keer een stukje moet draaien.
Siemens 1200 PLC
Voor dit project hebben we uiteindelijk gekozen voor de stappenmotor, maar die doet het zelf niet. Daar is een aansturing voor nodig en daar hebben we gekozen voor de Siemens PLC, de 1200. En waarom is er voor Siemens gekozen?
Hendrik: Dat is een goede vraag. De machine zelf draaide ooit op een Siemens 300. Op een 315 om precies te zijn. We hebben destijds voor een 1200 gekozen om twee redenen.
Er zit standaard een bibliotheek in, Tia Portal, die geschikt is voor stappenmotoren. Voor de aansturing van stappenmotoren. Dat maakt het je heel gemakkelijk. Je moet je voorstellen: je geeft de stappenmotor een pulsje en dan maakt hij een stapje. Als je weer een pulsje geeft, maakt hij nog een stapje.
Wil je hem een stuk laten draaien, dan geef je een aantal pulsen achter elkaar. Die pulsen kun je ook dichter bij elkaar doen en verder van elkaar afdoen. Daarmee kun je de versnelling bepalen. Als je dat zou moeten programmeren dan zou het kunnen, maar dat is best ingewikkeld. In de Tia Portal zit standaard een bibliotheek voor de aansturing van stappenmotoren.
De tweede reden is dat je voor een 1200, ik weet niet hoe dat heet, zo’n klein kaartje kunt bijbestellen die je achter op de rug kunt prikken. Dat zijn een beetje bijzondere kaartjes die vaak voor encoders ook wel worden gebruikt.
Dit was een 5 volt-kaartje, die een output van 5 Volt had. Dat was precies wat de controller, want er zit tussen de Siemens PLC en de motor ook nog een soort regelaar, die het signaal versterkt. Die echt de motor aanstuurt. Deze had precies die 5 Volt nodig. Dat ging prima samen.
De eerste opstelling was met een 1200, die we ernaast hebben gezet. Die kreeg zijn commando vanuit de 300: start en ga 30 graden draaien. Die kwam terug: ik ben 30 graden gedraaid. Uiteindelijk hebben we het hele programma overgeheveld vanuit de 300 naar de 1200 PLC. Alles draait nu op een 1200 PLC.
Stappen bepalen stappenmotor
Oké, dan de stappen bepalen. Je zegt, je geeft een aantal pulsjes. Geef je ook aan hoeveel graden een puls is?
Hendrik: Eigenlijk andersom. Je geeft aan hoeveel pulsjes 30 graden is. Volgens mij heb je daar wel keuze in. Volgens mij zit dat op de regelaar en stel je dat in. Dus hoeveel pulsjes één omwenteling van de stappenmotor is. Ook in het blokje van Siemens moet je aangeven, er zit een soort interface bij, hoeveel pulsen een omwenteling is.
In dit geval: omdat je te maken hebt met een draaiende beweging die iedere keer 30 graden moet draaien, heb je iets nodig wat deelbaar is. In dit geval door 12. Ik weet niet meer precies of we voor 1200 of 2400 pulsen per revolutie gekozen hebben. Het is belangrijk dat je dat in dit geval kunt delen. Heb je een lineaire beweging? Dan zou dat wat minder nauwkeurig kunnen. Bij een draaiende beweging moet het wel precies deelbaar zijn door het aantal. Als je bijvoorbeeld zegt: 1200 puls is 1 omwenteling, dan weet je dat 30 graden precies 100 pulsjes zijn.
En als ik bijvoorbeeld dan naar 90 graden wil, is dat dan een soepele beweging? Of gaat die dan per 30 graden een stap maken?
Hendrik: Nee, er zit een blokje in waarbij je de stappenmotor continu kunt laten draaien. Je kunt zeggen, ga draaien met deze snelheid of met deze – in dit geval – omtreksnelheid. Ga bijvoorbeeld een rondje per minuut draaien.
En het blokje dat wij voornamelijk gebruiken: ga vanaf de positie waar je nu staat, draai 30 graden linksom of rechtsom, in dit geval. Zou je 60 graden willen draaien of 90 graden dan zeg je gewoon draai 60 graden. Het mooie van het blokje is, dat je kunt instellen wat de ramp-up en ramp-down moet zijn van die beweging. En wat de maximale snelheid is. Daar past hij zijn pulsjes op aan.
Ramp-up en ramp-down. Ja. Dat is dan simpel vertaald. Hoe ga ik van nul naar honderd en in een mooie vloeiende beweging.
Hendrik: Daar doet hij de pulsjes, een andere afstand of tijd van elkaar.
Regelaar stappenmotor
Je had het ook even over de regelaar. De regelaar zit dan al aan de motor?
Hendrik: Nee, net als met een frequentieregelaar is het een apart doosje. Het is ook letterlijk de grootte van een doosje. De motor die we hier hebben toegepast, is een 230 volt motor. Ik zou bijna zeggen, dat is voor deze installatie een bijkomend voordeel. De meeste motoren zijn drie fase motoren. Dit is een één fase motor, als je van een stappenmotor van kan spreken. De regelaar is ook 230 volt en kan met een stekker in het stopcontact.
Het opgenomen vermogen is relatief laag. Wat ik vertelde over dat regelaartje, dat doosje, dat stel je in hoeveel pulsen het moet geven voor een omwenteling. En wat je ook instelt, is hoeveel stroom hij daarbij mag gebruiken. Dat is vooral van belang voor de stilstandstroom. Stel dat de schijf stilstaat, dan stuur je niks aan. Komt er spanning op de motor, die houdt het hele gebeuren in positie. Je kunt de schijf ook niet laten draaien als de regelaar aanstaat.
De stroom bepaalt hoeveel kracht je zou moeten zetten om de schijf er doorheen te draaien. Je kunt je voorstellen, in dit geval staat de schijf licht plat, die zal niet uit zichzelf gaan draaien. Maar stel dat je hem horizontaal zou monteren, dan zou het gewicht van de schijf of iets wat eraan hangt het geheel kunnen laten draaien. En dat wil je natuurlijk niet. Dat is wel iets wat we later hebben gedaan. De enige discussie is, dat we de stroom wat hoger hebben ingesteld om de schijf beter af te remmen of op positie te krijgen.
Wanneer geen stappenmotor gebruiken?
De stappenmotor, lijkt mij, kun je voor heel veel dingen gebruiken. Maar waar moet je deze vooral niet voor gebruiken?
Hendrik: Dat is eigenlijk hetzelfde tegenovergestelde antwoord van een conventionele motor. Als je continu wilt draaien, kan dat wel met een stappenmotor. Ik zou hem daar niet voor gebruiken. Het is echt voor als je wilt positioneren, altijd hetzelfde stapje wilt maken. En ik denk zelfs, maar ik heb daar nooit echt naar gekeken, dat ze goedkoper zijn dan een servomotor. Simpelweg omdat de techniek minder goed is.
De bekendste toepassing van een stappenmotor is de 3D-printer. Die zit vol met die kleine stappenmotors.
Stiekem staat deze al bij veel mensen thuis.
Hendrik: en toch hoor je er weinig over. In de industrie vind je ze eigenlijk niet heel veel terug. Maar bij een soort, noem het maar, een X-Y-Z-machine of een 3D-printer zijn ze prima toepasbaar.
Ook wel grotere vermogens dan dit toch? Met X, Y, Z zou je toch nog een verpakkingsmachine, die een beetje eenzelfde soort beweging maakt als de 3D-printer, daar zou je waarschijnlijk ook in terugvinden.
Hendrik: Ja, en een overeenkomst tussen een stappenmotor en een servomotor is dat je een referentiepositie moet bepalen. Er zit een blokje in van de Siemens PLC, die heet volgens mij ‘homing’. Daarmee breng je hem naar een beginpositie toe en van daaruit ga je dan draaien.
Eigenlijk doe je dat ook bij een servomotor. Het enige verschil is dat de servomotor wel bijhoudt waar hij zich bevindt ten opzichte van die beginpositie. Een stappenmotor, tussen aanhalingstekens, vergeet dat. Nadat hij zijn eerste stappen heeft gezet, zou hij tegengehouden worden in zijn stappen, doordat hij blokkeert. De stappenmotor is dan ook de weg kwijt. Een servomotor weet dat hij de weg kwijt is en zal dan opnieuw willen homen.
Wat we bij deze machine hebben gedaan, is – want als dat wordt waargenomen – het een kwestie van de machine uitzetten, de besturing uitzetten en weer aanzetten. Het eerste wat je dan gaat doen, is homen. Kortom, weer die nul positie terugvinden en van daaruit weer gaan draaien.
Tips werken met een stappenmotor
Heb je nog tips of aandachtspunten voor als onze luisteraar met een stappenmotor wil gaan werken?
Hendrik: de stappenmotor mag wel vaker worden toegepast. Waar ik met Johan veel discussie over heb gehad, is of de stappenmotor nauwkeurig genoeg is. En vooral het starten en stoppen. Dat heeft vooral te maken dat het een zware schijf is. Er is wel wat energie voor nodig om de stappenmotor op gang te brengen en om hem te stoppen.
Naar mijn zin lukt dat best goed. Maar het grootste probleem, denk ik, als je Johan zou vragen, en misschien moeten we dat ook maar een keer doen, is de koppeling tussen de motor en de schijf. In het begin heeft Johan daarvoor gekozen om daar een starre verbinding tussen te maken. Ik vond dat lastig maar ik ben natuurlijk ook geen mechanische man.
Uiteindelijk bleek toch wel dat daar speling ontstond. Dat is minder dan met een conventionele motor. Daar ging het helemaal raar, om het maar zo te zeggen. Maar ook bij een stappenmotor, met toch wel een best zware schijf, merk je toch wel dat die toch ingaat vreten, die koppeling. Dat moeten we eens aan Johan vragen, hoe hij dat heeft opgelost.
Hij heeft er nu wel een koppeling tussen gezet, maar die gaat ook stuk. Dat is wel een aandachtspunt.
Als je met veel gewicht gaat werken in combinatie met een stappenmotor, houd dan rekening met de overbrenging. Je moet er dan eigenlijk wel een werktuigbouwkundige persoon bij hebben die daar wat van kan vinden. Dan zijn wij programmeurs misschien niet de beste om te vragen natuurlijk. Maar, ondanks dat sta ik nog steeds wel achter het gebruik van stappenmotoren voor dit soort toepassingen. Ik vond het verbazingwekkend gemakkelijk te programmeren, maar goed dat is dan alle lof voor Siemens. De werking is gewoon goed. Hij doet iedere keer die 30 graden.
Ik denk ook voor Johan dan fantastisch. Er is nog enigszins wat verbetering op mechanisch vlak. We kunnen zeggen dat het voor de stappenmotor een krachtpatsertje is. Vooral een precieze krachtpatser. Perfect voor de recyclingmachine van Johan van Dijk.
Nou, dan kom ik bij de afsluiting van deze eerste podcast. De volgende keer gaan we het hebben over SCADA. Wanneer dit gaat worden, is nog nader te bepalen. Maar voor nu, bedankt voor het luisteren naar IA in 15 minuten, een podcast van Progressus Automation. Vond je het interessant, deel de aflevering of laat een reactie achter op LinkedIn.
Tot de volgende keer.
