Stappenmotoren
Sturingen met servo-allures

Jarenlang binden de stappenmotoren de strijd aan met de servomotoren. Vooral bij de sturingen zitten er nog een aantal cruciale verschillen. Door de integratie van pientere servotechnieken zoals Digital Signal Processors (DSP) en terugmeldingssensoren trachten de ontwerpers van stappenmotorsturingen de successen van de servo's te gebruiken om de prestaties van hun sturingen te verbeteren. Maar zullen ze hun lage kostprijs behouden?

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Motion Control systemen vandaag de dag maken gebruik van ofwel stappenmotoren ofwel van servomotoren. Beide technologieën geven een precieze positionering en snelheidscontrole, maar zijn toch verschillend op een aantal gebieden. Stappenmotoren vereisen dat hun voedingsbron continu in een bepaald patroon pulseert; zij draaien niet vrij zoals andere motoren wanneer er voeding gegeven wordt. Stappenmotoren werken zoals hun naam reeds zegt: zij “stappen” beetje bij beetje vooruit, hetgeen hen erg bruikbaar maakt voor directe en precieze computersturingen. Zij hebben nog een andere unieke eigenschap, namelijk het houden van het moment, hetgeen de motor toelaat om star zijn positie te behouden wanneer hij stilstaat. 
De hoofdvoordelen van de stappenmotortechnologie zijn zijn eenvoudigheid en goedkope open-loop sturing. In tegenstelling tot de servomotoren kunnen bij de stappenmotoren zowel de snelheid als de positie nauwkeurig gecontroleerd worden zonder een terugmeldingsmechanisme. Voor vele aantal toepassingen is dit van groot belang, want een sensor zoals een optische encoder, een resolver, of een tachometer, kost bijna zoveel of zelfs meer dan de motor die gestuurd moet worden. 
Open-loop controle zorgt ervoor dat stappenmotoren meestal terug te vinden zijn in kostgedreven toepassingen zoals printers, computertoebehoren, en geautomatiseerde machinegereedschappen. Zij zijn het sleutelelement in wereldwijde markten zoals medische toestellen en halfgeleiderfabrikanten, waar de competitie groot is en de kost een eerste bezorgdheid is. De dominantie van Amerikaanse en Aziatische firma's in deze markten betekent dat de stappenmotortechnologie wereldwijd gebruikt wordt in deze gebieden. Aan de andere kant blijven Europese ontwerpingenieurs nog immer vastgehecht aan de servomotoren wegens naar hun mening de betere betrouwbaarheid en voorspelbaarheid voor motion control toepassingen. Zij beschouwen de stappenmotor meer als een artikel van hun Amerikaanse tegenhangers. 
De competitie tussen de servo- en stappenmotoren zorgt voor een ongewone mix van twee technologieën: hybride controllers die beide types motoren kunnen sturen.

DSP
Digital Signal Processors (DSPs) hebben de closed-loop-prestaties van de servos voor een geruime tijd verbeterd, maar nu ziet de markt een groeiend aantal drives die de servo- en stappensturing combineren in één toestel, gebruik makend van gemeenschappelijke delen en modules. Hierdoor baant DSP zich een weg in het rijk van de stappenmotoren. Deze welgekomen gebeurtenis geeft extra dimensies aan de capaciteiten van de stappenmotor. 
Op deze manier is het mogelijk bij een aantal sturingen om bijvoorbeeld volle staplengtes in te geven en, door gebruik te maken van DSP, microstappen uit te geven, met als voordeel dat de motor een soepelere beweging maakt. Zo geeft de gebruiker bijvoorbeeld 100 stappen per omwenteling in via een indexer of PLC en zal de controller de motor sturen met 12500 stappen per omwenteling. De prestatie van de stappenmotor wordt hierdoor danig verhoogd zonder gebruik te moeten maken van een dure hoge-snelheids-indexer. 

Vermijd vastlopen
Een gekend probleem bij stappenmotoren die lasten verplaatsen in een open-loop is het potentieel gevaar om de synchronisatie tussen gewenste en actuele positie te verliezen, met mogelijk vastlopen van de motor als gevolg.
In een closed-loop systeem wordt dit direct gedetecteerd. Deels kan het vastlopen van een motor al tegengegaan worden door het maken van een goed ontwerp dat niet zo uitnodigend is om dit probleem te veroorzaken en dat ervoor zorgt dat externe invloeden vermeden worden. Niettegenstaande de verbeteringen in het design is het toch nog mogelijk dat de motor vastloopt, en is detectie hiervan wenselijk.
Om de kosten te drukken was het detecteren van een vastgelopen motor zonder een terugmeldingssysteem een doelstelling van meerdere fabrikanten. 
Parker kwam hierdoor met de Gemini GT op de markt als eerste volledig digitale stappenmotorsturing die zonder encoder het vastlopen van een motor kon waarnemen. Een software algoritme doet dienst als sensor. Het bemonstert de spannings- en stroomsignalen tussen de stappenmotor en de drive. Door de analyse van deze signalen en het vergelijken van hun amplitudes en frequenties met gekende waarden onder normale omstandigheden, kan het vastlopen van een motor herkend worden. De gevoeligheid kan door de gebruiker zelf ingesteld worden. 

Andere closed-loop voordelen
National Instruments toont grote betrokkenheid in zowel open- en closed-loop stappenmotorcontrollers. Zij spelen in op de vraag van de klant naar closed-loop-systemen die niet alleen hun positie behouden, maar die eveneens kostaantrekkelijk zijn en gesynchroniseerde functies aanbieden. Door de PID-controller hardware te elimineren biedt men een closed-loop stappenmotorcontroller aan met een kostprijs die iets hoger ligt dan een open-loopcontroller. En die nog altijd de mogelijkheid geeft aan de gebruiker om te monitoren en te reageren op een eventuele fout. 
Aan de andere kant is de gebruiker mogelijk ook geïnteresseerd de “motion” gepaard te laten gaan met de nodige data-acquisitie, zodat hij door de closed-loop bijvoorbeeld een positie of snelheid kan triggeren. Om in te spelen op deze nood heeft NI zijn FlexMotion borden voorzien van een eigen bus om de gegevens te verzamelen in een database.

“Twin Line”
Een ander voorbeeld van het mixen van servo- en stappenmotortechnologie is de “Twin Line” van Automotion. Deze drives controleren driefasige stappenmotoren zowel als servomotoren, door gebruik te maken van hetzelfde mechanisch ontwerp, gebruikersinterface en vele andere standaardcomponenten die modulair naar eigen behoefte kunnen toegepast worden. Twin Line sturingen bevatten positiecontrollers met geïntegreerde “power”-electronica en DSP. Stappenmotoren tot 750W kunnen gestuurd worden, maar zwaardere versies zijn in opmaak. Een geïntegreerde encoder om mechanische overbelasting vast te stellen is optioneel verkrijgbaar. Bijhorende “Control Tool”-software geeft identieke schermen voor de configuratie, parametertoekenning en diagnose van de drives.

Communicatie
Stappenmotoren vinden dikwijls hun toepassing in machines met meerdere bewegingsassen. Een geïntegreerde motor, drive en controller gekoppeld aan een netwerk kan hierbij een enorme vereenvoudiging teweeg brengen voor installatie en gebruik van dergelijke machines. On-board communicatie zoals Profibus, Interbus of Devicenet zijn zeker een voordeel. Een voorbeeld hiervan is de Whedco stappenmotorblok die een stappenmotor, drive, microstappencontroller en Devicenet aansluiting voorziet in één compleet pakket. Hij werkt in een traditionele open loop zonder feedback of detectie op vastlopen. 
De toekomst voor de stappenmotoren en hun sturingen ziet er rooskleurig uit. Vooral op gebied van hardware en software zullen er heel wat uitvindingen en verbeteringen gedaan worden om de competitie met de servomotoren aan te gaan. “Lopen als een servo, maar positioneren en stoppen als een stappenmotor”.
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Les moteurs pas à pas
Des commandes dotés d'allures servo

Depuis des années, les moteurs pas à pas livrent combat avec les servomoteurs. Ces deux types de commandes présentent des différences cruciales. En intégrant d’ingénieuses techniques empruntées au servo comme les Digital Signal Processors (DSP) et les capteurs de retour d’information, les concepteurs de commandes de moteurs pas à pas tentent d’utiliser les succès des servocommandes pour améliorer les performances de leurs systèmes. Mais garderont-ils leur niveau de prix acceptable ?

Les systèmes de Motion Control utilisent aujourd’hui soit des moteurs pas à pas soit des servomoteurs. Les deux technologies assurent un positionnement précis et un contrôle de vitesse mais présentent des différences à plusieurs égards. Les moteurs pas à pas exigent que leur source d’alimentation fournisse continuellement des pulsations respectant un certain modèle ; ils ne tournent pas librement comme les autres moteurs lorsqu’ils sont alimentés. Les moteurs pas à pas fonctionnent comme leur nom l’indique : ils avancent pas à pas, ce qui les destine tout particulièrement aux commandes informatiques directes et précises. Le maintien du moment constitue une autre caractéristique unique. Ainsi, ces moteurs gardent leur position lorsqu’ils sont à l’arrêt.
Les principaux avantages de la technologie des moteurs pas à pas sont la simplicité et le prix intéressant d’une commande en boucle ouverte. A l’inverse des servomoteurs, tant la vitesse que la position des moteurs pas à pas peuvent être contrôlés avec précision sans mécanisme de retour d’information. Ceci a une grande importance pour de nombreuses applications car un capteur comme un encodeur technique, un resolver ou un tachymètre coûte quasiment le même prix, si pas plus, que le moteur à piloter.
Grâce au contrôle en boucle ouverte, les moteurs pas à pas se retrouvent souvent dans des applications où le prix est déterminant comme les imprimantes, les accessoires informatiques et les outils de machines spécialisés. Ils sont l’élément clef dans des marchés mondiaux comme les appareils médicaux et les fabricants de semi-conducteurs, où la concurrence est rude et où le prix joue un rôle majeur. La domination des sociétés américaines et asiatiques sur ces marchés signifie que la technologie des moteurs pas à pas est utilisée mondialement dans ces domaines. D’autre part, les ingénieurs de conception européens restent toujours attachés aux servomoteurs, pensant que ceux-ci sont plus fiables et prévisibles pour les applications de motion control. Ils considèrent le moteur pas à pas plus comme un produit destiné à leurs confrères américains.
La concurrence entre les servomoteurs et les moteurs pas à pas assure un mélange inhabituel de deux technologies : les contrôleurs hybrides pouvant piloter les deux types de moteurs.

DSP
Les Digital Signal Processors (DSP) ont longtemps amélioré les performances en boucle fermée des servos. Aujourd’hui toutefois, nous remarquons sur le marché un nombre croissant de drives qui combinent la commande servo et pas à pas en un seul appareil en utilisant des parties et modules communs. Les DSP se frayent ainsi un chemin dans le royaume des moteurs pas à pas. Cet événement bienvenu confère des dimensions supplémentaires aux capacités du moteur pas à pas. 
Ainsi, il est possible d’introduire dans certaines commandes des longueurs de pas complètes et d’émettre, en utilisant les DSP, des micropas, ce qui permet au moteur d’effectuer un mouvement plus souple. L’utilisateur introduit par exemple 100 pas par rotation via un indexeur ou via un PLC et le contrôleur commandera le moteur avec 12500 pas par rotation. La performance du moteur pas à pas s’est ainsi fortement accrue, sans devoir recourir à un coûteux indexeur de grande vitesse.

Eviter le grippage
Il est bien connu que les moteurs pas à pas qui déplacent des charges dans une boucle ouverte courent le risque de perdre la synchronisation entre la position souhaitée et la position actuelle et que le moteur peut par conséquent se gripper.
Dans un système à boucle fermée, ce problème est immédiatement détecté. Le grippage d’un moteur peut partiellement être évité en réalisant un bon concept qui n’induit pas ce genre de problème et qui veille à éviter des influences externes. Malgré les améliorations de conception, il est néanmoins possible que le moteur se grippe et une détection du problème reste donc souhaitable.
Pour comprimer les frais, plusieurs fabricants avaient pour objectif de détecter le grippage d’un moteur sans recourir à un système de retour d’information.
Parker proposait le Gemini GT, une première commande de moteur pas à pas entièrement numérique pouvant observer sans encodeur le grippage d’un moteur. Un algorithme logiciel fait office de capteur. Il échantillonne les signaux de tension et de courant entre le moteur pas à pas et le drive. En analysant ces signaux et en comparant leurs amplitudes et fréquences avec des valeurs connues sous des conditions normales, le grippage d’un moteur peut être repéré. L’utilisateur peut régler lui-même la sensibilité.

Autres avantages liés à la boucle fermée
National Instruments se montre très impliqué, tant dans les contrôleurs de moteurs pas à pas en boucle ouverte qu’en boucle fermée. Elle réagit ainsi à la demande du client qui souhaite des systèmes en boucle fermée pouvant conserver leur position tout en offrant des fonctions synchronisées à un prix attrayant. En éliminant le matériel du contrôleur PID, elle offre un contrôleur de moteurs pas à pas en boucle fermée à un prix légèrement supérieur au contrôleur en boucle ouverte. L’utilisateur a néanmoins toujours la possibilité de surveiller et réagir à une éventuelle erreur.
D’autre part, l’utilisateur est éventuellement aussi intéressé par une combinaison du ‘motion’ et de l’acquisition de données, afin de pouvoir déclencher, grâce à la boucle fermée, une position ou une vitesse par exemple. Pour réagir à ce besoin, National Instruments a pourvu ses tableaux FlexMotion de son propre bus afin de rassembler les données dans une base de données.

« Twin Line »
Le « Twin Line » d’Automotion est un autre exemple du mélange de la technologie du servomoteur et du moteur pas à pas. Ces drives contrôlent des moteurs pas à pas triphasés ainsi que des servomoteurs en utilisant le même concept mécanique, la même interface utilisateur ainsi que de nombreux autres composants standard adaptables de façon modulaire au besoin de tout un chacun. Les commandes Twin Line disposent de contrôleurs de position intégrant une électronique de « puissance » et des DSP. Elles peuvent commander des moteurs pas à pas atteignant 750 W. D’autres versions plus puissantes sont en cours d’élaboration. Un encodeur intégré permettant de constater une surcharge mécanique est disponible en option. Le logiciel « Control Tool » annexe donne des écrans identiques pour la configuration, l’attribution de paramètres et le diagnostic des drives. 

Communication
Les moteurs pas à pas sont souvent utilisés dans des machines ayant plusieurs axes de mouvement. Un moteur, un drive et un contrôleur intégrés, reliés à un réseau, peuvent considérablement simplifier l’installation et l’utilisation de ces machines. Une communication embarquée comme Profibus, Interbus ou DeviceNet présente certainement un avantage. Le bloc moteur pas à pas Whedco en est un exemple. Il prévoit dans un paquet complet un moteur pas à pas, un drive, un contrôleur à micropas et un raccordement DeviceNet. Il fonctionne en boucle ouverte traditionnelle sans feedback ou détection de grippage.
L’avenir des moteurs pas à pas et de leurs commandes est très prometteur. De nombreuses inventions et améliorations verront surtout le jour au niveau du matériel et du logiciel et permettront de concurrencer les servomoteurs. « Le fonctionnement du servo avec le positionnement et l’arrêt du moteur pas à pas. »
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