Stappenmotor

Onderwerpen:

  • Algemeen
  • Stappenmotor met vier standen
  • Stappenmotor met acht standen
  • Aansturing van de stappenmotor door een regelapparaat
  • Toepassingen van de stappenmotor

Algemeen:
De stappenmotor is een synchrone elektromotor zonder koolborstels. Een stappenmotor is, zoals de naam al doet vermoeden, in meerdere stappen in te stellen. Het aantal stappen kan variƫren. Afhankelijk van de toepassing, kan de stappenmotor 4 of 8 stappen verstellen per rotatie. De hoekverdraaiing is daarbij nauwkeurig te bepalen.

Een bipolaire stappenmotor bestaat uit een rotor, twee stators met elk een weekijzeren kern met een spoel. Aan de rotor kan een wormwiel bevestigd worden, die op zijn beurt zorgt voor de overbrenging van de beweging. Dit kan bijvoorbeeld op de stoelrails zijn, zodat de stoel naar voren en achteren kan schuiven. Andere toepassingen zijn o.a. luchtkleppen in het ventilatiesysteem, de aansturing EGR-klep en andere verstelmotoren die in elke gewenste positie gestopt kunnen worden. In de paragraaf “toepassingen van de stappenmotor” gaan we hier dieper op in.

In de afbeelding is een unipolaire stappenmotor weergeven. In deze stappenmotor zijn twee spoelen aanwezig; spoel 1 met aansluitingen A en B, en spoel 2 met aansluitingen C en D. Deze spoelen zitten op de stator met de weekijzeren kern gemonteerd.
In de rotor (het rondje in het midden) is met pijltjes aangegeven in welke standen deze stilgezet kan worden. De stappen 1 t/m 4 liggen elk 90 graden van elkaar. Wanneer de stappenmotor in acht stappen ingesteld moet kunnen worden, zullen er nog vier tussenliggende stappen toegevoegd worden. Dit zijn de stappen 5 t/m 8, welke ook weer 90 graden van elkaar liggen.

Wanneer de stappenmotor in stand 1 geplaatst dient te worden, dient de noordpool van de rotor naar boven te wijzen. Dit is in de onderstaande afbeelding te zien.
In deze schakeling is de aansluiting C op de spoel met plus, en aansluiting D met de min verbonden. Er loopt een stroom door de spoel van C naar D. De stroom veroorzaakt een magnetisch veld door de stator, waardoor er een noordpool op de onderste poolschoen (met rood aangegeven) en een zuidpool op de bovenste poolschoen (zwart) ontstaat.
Omdat de noord- en zuidpolen elkaar aantrekken, zal de rotor verdraaien tot dat deze in de stand komt te staan zoals in de afbeelding is weergeven.

Om de rotor 90 graden (een kwart rotatie) verder te laten verdraaien, dient de stroom op de spoel tussen C en D onderbroken te worden en dient de spoel met de aansluit A en B bekrachtigd te worden. Dit wordt in de volgende paragraag beschreven.

Stappenmotor met vier standen:
De rotor van de stappenmotor kan een volledige rotatie maken met viert tussenstappen. De rotor kan dus elke 90 graden stilgezet worden. Dit is in de onderstaande afbeelding te zien.
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.

Stappenmotor met acht standen:
In de vorige paragraaf is uitgelegd hoe een stappenmotor met vier standen een rotatie (180 graden) wordt verdraaid. De stappenmotor met vier standen kan elke 90 graden stil gezet worden.
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.

Aansturing van de stappenmotor door een regelapparaat:
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.

Zoals te zien is in de bovenstaande voorbeelden, kunnen de acht transistoren dusdanig in geleiding worden gebracht, zodat de stappenmotor acht verschillende vaste posities per rotatie aan kan nemen. Wanneer de stappenmotor een aantal rotaties achter elkaar moet draaien, om bijvoorbeeld de lendensteun van de stoel te verstellen, dan vindt het schakelen door de transistoren in een hoog tempo plaats.

Toepassingen van de stappenmotor:
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 voor luchtgeleidingsklep in het kachelhuis
Inbouwpositie stappenmotor