a-step
Stappenmotor zonder stappenverlies

Stappenmotoren van de eerste generatie waren goedkoop en eenvoudig om mee te werken. De toepassingen zijn voornamelijk te vinden in bureau-automatisering en in medische apparatuur. Door de toepassing van hogere vermogens, via bipolaire drivers met chopperspanningen tot zowat140 Volt –zoals de UPK-serie van Oriental Motor- worden de stappenmotor-aandrijvingen nu ook toegepast in de productie-automatisering. Niettemin stoot de stappenmotor vanwege de mogelijkheid van stappenverlies vaak op weerstand in dit marktsegment. Het doel van de ontwikkeling van de a-step serie is om de voordelen van de stappenmotor-techniek te combineren met de bedrijfszekerheid van bvb AC-servomotoren.

Version française

De rotor en stator van de a-step motor hebben in principe dezelfde bouwvorm als de conventionele hybride stappenmotoren, waarbij zowel de binnenzijde van de stator als de buitenzijde van de rotor vertand zijn. Aan de achterzijde van de motor bevindt zich een resolver, die ook door Oriental Motor wordt geproduceerd. Op het eerste gezicht lijkt de structuur van deze resolver op de vertanding van de stator en rotor. Het verschil zit hem in de details, zoals de diameter en het aantal tanden. Het principe van de stappenbewaking laat zich het best omschrijven als volgt. De rotor van de resolver beweegt synchroon met de motor-as. Het uitgangssignaal van de resolver is sinusvormig. Het verloop van de sinus is afhankelijk van de positie van de rotortanden ten opzichte van de statortanden in de resolver. De inductiviteit verandert in functie van de positie van de rotor in de resolver t.o.v. de stator. Wanneer de rotor- en de statortand het dichtst bij elkaar staan is deze inductiviteit maximaal; op het punt waar deze afstand het grootst is, is de inductiviteit het kleinst. Omdat de resolver, net als de stappenmotor, 2 fasen heeft, verkrijgt men een curve die twee sinussen vertoont. Hierdoor ontstaat en faseverschuiving van 90 graden tussen fase A en fase B. Met behulp van dit uitgangssignaal kan de exacte positie van de rotor gevolgd en bewaakt worden.

De comparator: eigenlijk een schakelaar
De resolver van de nieuwe a-step serie dient om de bewegingen van de stappenmotor te bewaken. De manier waarop dit gebeurt wijkt af van het Closed Loop systeem, zoals dat bij AC-servomotoren wordt ingezet. Afbeelding 1 illustreert de werkwijze die in de a-step wordt toegepast. Een Input Pulse Counter wordt aangestuurd vanuit een micro-controller, net zoals bij een conventionele stappenmotor. Deze informatie wordt zo verwerkt dat de gechopte driver de stappenmotor aanstuurt. Op dit punt werkt het systeem in open loop mode. Terwijl de motor draait detecteert de resolver de positie van de rotor en zendt deze informatie door naar de Rotor-positie-teller, die het op zijn beurt doorstuurt naar de Comparator. De Comparator vergelijkt de actuele elektrische positie van het statorveld met de Rotor-positie-teller. Het verschil wordt permanent bewaakt. Om de werking van het controlemechanisme nader te verklaren is enige uitleg nodig m.b.t. de natuurkundige eigenschappen van de stappenmotor. In onbelaste toestand staan de rotor- en de statortanden tegenover elkaar. Het draaimoment is gelijk aan nul. Wanneer de motor belast wordt ontstaat er en verschuiving tussen de rotor- en de statortanden in de richting van het draaimoment dat uitgeoefend wordt. Door deze verdraaiing gaat de motor een draaimoment ontwikkelen dat groot genoeg is om de hoekverdraaiing te compenseren. Is de verschuiving groter dan ± 1,8°, dan zoekt de rotor het grotere evenwicht in de volgende stator-pool. Deze toestand kennen we als stappenverlies. In principe gaat het erom dat het maximum draaimoment wordt overschreden. Bij a-step stappenmotoren ligt het maximum draaimoment exact op ± 1,8° (50 rotortanden). Een werkbereik tussen –1,8° en +1,8° kan als bedrijfszeker beschouwd worden. Blijft de staphoek-verdraaiing bij de a-step serie binnen het stabiele bereik van ± 1,8°, dan volgt de stappenmotor het verloop van pulsen zoals door de controller aangegeven. Wordt de verdraaiing groter dan ±1,8°, dan komt de comparator in werking en zorgt hij ervoor dat de Sequence Controller het signaal van de Rotor-positie-teller moet volgen. Op die manier wordt stappenverlies voorkomen doordat in de wikkeling van de stator -die de rotor volgt- een evenredig draaimoment opgewekt wordt. Dat betekent dat er geen stappenverlies meer ontstaat wanneer er een afwijking van ±1,8° t.o.v. de ingangspositie optreedt. Zo’n afwijking t.o.v. de gewenste positie kan zich voordoen wanneer het maximum toegelaten koppel overschreden wordt. Dan treedt bij traditionele stappenmotoren stappenverlies op. De a-step daarentegen voorkomt stappenverlies in het algemeen en legt de juiste ingangspositie vast, zodat na het wegvallen van de overbelasting de motor terugkeert naar de ingangspositie.

Separate Closed Loop
Het moet duidelijk zijn dat de Comparator niets te maken heeft met de eigenlijke aansturing van de stappenmotor. De Comparator werkt in principe uitsluitend als een schakelaar, terwijl de aansturing bij de a-step serie dezelfde is als bij conventionele stappenmotoren. Wat overblijft zijn de voordelen: kortere positioneertijden en het wegvallen van de tuning zoals bij servo-aandrijvingen. Oriental Motor noemt deze nieuwe controlemethode Separate Closed Loop.

Microstep-functie
Met de a-step is het nu ook mogelijk de resolutie te variëren. Volgende resoluties zijn beschikbaar: 0,72°/stap, 0,36°/stap, 0,072°/stap, 0,036°/stap

Voordelen t.o.v. AC servo-andrijvingen
Zoals eerder gezegd beschikt de gebruiker voortaan over een aandrijving die stappenverlies elimineert en toch alle voordelen van stappenmotor-aandrijving in zich verenigt. AC Servo-aandrijvingen vergen een parameterinstelling in functie van de gekozen toepassing; bij de a-step serie valt die weg. Hieruit resulteert de mogelijkheid om sneller te positioneren bij korte bewegingen. Daarbij komt dat bij deze motor/driver combinatie geen hunting (het "oscilleren" van de motor rond de ingangspositie) optreedt. Vermits er bij de a-step geen hunting optreedt, is hij bijzonder geschikt voor lineaire systemen met aandrijving door getande riemen. De mechanische stijfheid van zo’n systeem is gering, waardoor belastingsrek optreedt. Wanneer bij conventionele stappenmotoren het nominale koppel ook maar korte tijd overschreden wordt, wanneer de beweging stopt of enkele stappen "vergeten" worden, zal de klassieke aandrijving dit niet herkennen en is het mogelijk dat de ingangspositie niet bereikt wordt en dat de machine of de last beschadigd worden. Om dit risico te vermijden bestonden er tot nu toe slechts twee mogelijkheden: een AC-servomotor gebruiken -wat duur en ingewikkeld is- of kiezen voor een andere stappenmotor waarvan het vermogen met een veiligheidsfactor 2 verhoogd was, en waarbij eigenlijk slechts de helft van het beschikbare draaimoment gebruikt werd. Dit dilemma wordt vandaag opgelost door de a-step serie van Oriental Motor.

Kosten en uitvoeringen
De prijs van de a-step serie verschilt nauwelijks van de prijs van stappenmotor-aandrijvingen voor hoge belasting zonder resolver. Dit is mogelijk geworden door het gebruik van bestaande stappenmotor-onderdelen. Omwille van de resolver is de lengte iets groter geworden. Om die verlenging binnen aanvaardbare perken te houden is bij de 60x60mm flensmaat een gedeelte van de rotor hol gemaakt. In de ruimte die zo ontstaan is, is de kogellager ingebouwd. Op die manier is deze motorcombinatie uiteindelijk slechts 4 mm langer geworden. Bij de 42 x 42 mm flensmaat was het niet mogelijk de rotor uit te hollen omdat hij zo klein is, en bij de 85x85mm flensmaat is de resolver zo klein dat een uitholling geen zin bleek te hebben.
www.rotero.com

a-step
Moteur pas à pas sans perte de pas

Les moteurs pas à pas de la première génération étaient bon marché et simples à manipuler. Leurs applications se situent encore aujourd’hui dans le domaine de l’automatisation de bureau et des appareils médicaux. Par l’application de puissances plus élevées par le biais des commandes bipolaires à tension de chopper de l’ordre de 140 Volt –comme la série UPK d’Oriental Motor- les transmissions pas à pas s’utilisent actuellement dans le domaine de l’automatisation de production. Mais le moteur pas à pas se heurte encore souvent à une résistance dans ce domaine, à cause du risque de perte de pas. La série a-step a été développée dans le but de combiner les avantages du moteur pas à pas avec la fiabilité des servomoteurs CA, par exemple.

En principe, le rotor et le stator du moteur a-step ont la même construction que les moteurs pas à pas hybrides conventionnels à denture intérieure du stator et extérieure du rotor. À l’arrière du moteur se trouve un resolver, également fabriqué par Oriental Motor. À première vue, la structure de ce resolver ressemble à la denture du stator et du rotor. La différence se situe au niveau des détails, comme le diamètre et le nombre de dents. Le principe de la surveillance de pas peut se définir à peu près comme suit.  Le rotor du resolver est synchronisé avec l’arbre du moteur. Le signal de sortie du resolver est sinusoïdal. L’évolution du sinus est fonction de la position des dents du rotor vis-à-vis des dents du stator dans le resolver. L’inductivité varie en fonction de la position du rotor du resolver vis-à-vis du stator. Là où la distance entre les dents du rotor et celles du stator est minimale, l’inductance sera maximale; par contre, à l’endroit ou la distance est la plus grande, l’inductance sera la plus petite. Puisque le resolver et le moteur pas à pas ont deux phases, l’on obtient une courbe à deux sinus. De cette façon, il y a un déphasage de l’ordre de 90 degrés entre la phase A et la phase B. La combinaison de ces signaux de sortie permet de suivre et de surveiller la position exacte du rotor.

Le comparateur: simplement un commutateur
Le resolver de la nouvelle série a-step sert à surveiller les mouvements du moteur pas à pas, mais non par la méthode de boucle fermée (Closed Loop), comme chez les servomoteurs CA. La figure illustre la méthode adoptée pat le système a-step. Un compteur d’impulsions d’entrée est commandé à partir d’un micro-contrôleur, exactement comme chez un moteur pas à pas conventionnel. Cette information est traitée de telle façon que la commande à chopper entraîne le moteur pas à pas. À ce moment, le système fonctionne en boucle ouverte (Open Loop). Lorsque le moteur tourne, le resolver détecte la position du rotor et transmet cette information au Compteur d’impulsions du rotor, qui la transmet à son tour au Comparateur. Le Comparateur compare la position électrique actuelle du champ du stator avec le Compteur de Position du rotor. La différence est surveillée en permanence. Pour mieux comprendre le fonctionnement du mécanisme de contrôle, un peu d’explication s’impose concernant les caractéristiques physiques du moteur pas à pas. Lorsque le moteur tourne à vide, les dents du rotor et du stator se trouvent face à face. Le couple est égal à zéro. Lorsque le moteur est sous charge, il y a un décalage entre les dents du rotor et celles du stator dans le sens du couple exercé. Ce décalage fait en sorte que le moteur développe un couple suffisamment grand pour compenser ce décalage. Si le décalage est supérieur à ± 1,8°, le rotor cherchera un meilleur équilibre dans le pôle de stator suivant. Ce phénomène est connu sous le nom de perte de pas. Au fait, le couple maximum du moteur a été dépassé. Chez les moteurs pas à pas a-step, le couple maximum se situe exactement à ± 1,8° (50 dents de rotor). Un champ de travail entre –1,8° et +1,8° peut être considéré comme fiable. Lorsque, chez la série a-step, le décalage d’angle se situe dans le champ stable de ± 1,8°, le moteur pas à pas suivra la suite d’impulsions transmises par le contrôleur. Si le décalage dépasse ±1,8°, le Comparateur entrera en action et obligera le Sequence Controller à suivre le signal du Compteur de position du rotor. De cette façon, la perte de pas est évitée du fait qu’un couple proportionnel se produit dans le bobinage du stator, qui suit le rotor. Ceci signifie qu’il n’y a plus de perte de pas lorsqu’il se produit un décalage de l’ordre de ±1,8° vis à vis de la position d’entrée. Un tel décalage vis à vis de la position d’entrée peut se produire lorsque le couple maximum est dépassé. Chez les moteurs pas à pas traditionnels, il se produit alors une perte de pas. L’a-step, par contre, prévient cette perte de pas et enregistre la position d’entrée exacte, comme quoi le moteur retournera à sa position d’entrée dès que la surcharge du moteur est éliminée.

Separate Closed Loop
Soyons clairs : le Comparateur n’a rien à voir avec la commande du moteur pas à pas proprement dite. En principe, le Comparateur fonctionne uniquement comme un commutateur, et le système de commande de la série a-step est identique à celui des moteurs pas à pas conventionnels. Ce qui fait la différence, ce sont les avantages : des temps de positionnement plus courts et l’absence de tuning obligatoire des servomoteurs. Oriental Motor a baptisé cette nouvelle méthode de contrôle Separate Closed Loop.

La fonction Microstep
Avec l’a-step il est dorénavant possible de varier la résolution. Les résolutions suivantes sont disponibles : 0,72°/pas 0,36°/pas 0,072°/pas 0,036°/pas

Avantages vis à vis des entraînements servo
Comme nous l’avons dit antérieurement, l’usager dispose dorénavant d’un entraînement qui élimine la perte de pas en réunit en soi tous les avantages du moteur pas à pas. Les entraînements servo CA exigent un réglage des paramètres en fonction de l’application ; ce qui n’est pas le cas chez la série a-step. Résultat : la possibilité de positionner plus rapidement pour les mouvements courts. De plus, cette combinaison moteur/commande ne connaît pas de hunting («oscillation" du moteur autour de la position d’entrée). Puisque le phénomène hunting est inexistant chez la série a-step, celle-ci est particulièrement indiquée pour les systèmes linéaires à entraînement pas courroie dentée. La rigidité mécanique de ce type de système est réduite ce qui explique sa grande élasticité sous charge. Lorsque, chez les moteurs pas à pas conventionnels, le couple maximum est dépassé même pendant un laps de temps très bref, lorsque le mouvement stoppe ou lorsque quelques pas sont "oubliés", l’entraînement classique ne le reconnaîtra pas. Dès lors, il est à craindre que la position d’entrée ne soit pas atteinte et que la machine ou la charge soient endommagées. Auparavant, pour éliminer ce risque, i l n’y avait que deux solutions : utiliser un servomoteur CA –ce qui était cher et compliqué- ou opter pour un moteur pas à pas dont la capacité était majorée d’un facteur 2, et dont on n’utilisait au fait que la moitié du couple en présence. Aujourd’hui, ce dilemme est résolu par la série a-step d’Oriental Motor.