Een unipolaire stappenmotor correct aansturen

Het grote voordeel van een unipolaire stappenmotor is dat je per wikkeling maar 2 schakelaars/transistors nodig hebt om hem aan te sturen. Dit in tegenstelling tot een bipolaire stappenmotor waarvoor je per wikkeling een complete H-brug nodig hebt voor de aansturing.

Maar de eenvoud van de unipolaire stappenmotor is bedrieglijk. Er zijn veel schema’s in omloop waarbij de stappenmotor als volgt wordt aangestuurd (enkele willekeurige schema’s gevonden op internet):

• 

• 

Merk op dat In beide schema’s de kathodes van de vrijloopdiodes aan de middenaftakking zijn gekoppeld.

Zo ook in Elektor Magazine van januari/februari 2022 waar een LN2003 wordt toegepast en waarbij ook de kathodes van de vrijloopdiodes (pin 9) aan de middenaftakkingen gekoppeld zijn:

Wat is het probleem?

Deze schema’s bevatten een hardnekkige fout: de vrijloopdiodes zijn verkeerd geplaatst. Om te begrijpen waarom dat zo is, is enige kennis van de interne opbouw van de motor nodig. Als die kennis wordt omgezet in een bijpassend vervangingsschema, wordt het probleem snel duidelijk en zelfs berekenbaar.

[Auto]trafo inside

Het punt dat vrijwel altijd over het hoofd gezien wordt, is dat dit type motor intern een [auto]trafo is.
Dat is niet zichtbaar wanneer één wikkeling/fase op de gangbare manier wordt getekend, zoals hieronder:

Dat zou eigenlijk zo getekend moeten worden:

De twee helften van een wikkeling zijn onderling magnetisch gekoppeld doordat ze op hetzelfde statorjuk gewikkeld zijn. Als je de ene helft van de wikkeling bekrachtigt door bijv. 1 van de transistors van de LN2003 in het Elektor-schema te activeren, zal er over de andere helft van de wikkeling een tegengestelde spanning ontstaan. Dus als T1 actief wordt, zal de spanning U1a 0V worden maar U1b zal positief worden ten opzichte van de voedingsspanning. Dat kan echter niet omdat deze spanning begrensd wordt door de vrijloopdiode D2. De niet-actieve wikkeling wordt door D2 kortgesloten. Hetzelfde gebeurt uiteraard ook omgekeerd als T2 actief wordt: D1 zal dan wikkeling 1 kortsluiten. En uiteraard gebeurt er op de andere motorwikkeling precies hetzelfde.

Deze kortsluiting door de vrijloopdiodes zorgt voor twee problemen:

1. Er zal een relatief hoge stroom lopen door de kortgesloten wikkeling. Door het trafo-effect heeft dat gevolgen voor de gekoppelde wikkeling: daar zal ook extra stroom lopen. Als je van plan was om de stroom te regelen en daarmee het koppel, kom je bedrogen uit: stroom en koppel hebben geen normale relatie meer met elkaar.

2. Het andere probleem is dat het effectieve koppel van de motor sterk verkleind wordt. Om dit goed te begrijpen is het vervangingschema nodig. Hieronder wordt het schema van 1 motorwikkeling gegeven (fig. 3) en toegelicht.

Vervangingsschema

Met een gedetailleerder model kan nauwkeuriger beredeneerd en berekend worden, wat er gebeurt wanneer de standaard schakeling met 2 vrijloopdiodes wordt toegepast.

In onderstaand vervangingsschema is de onderlinge koppeling van de twee wikkelinghelften gemodelleerd met een trafo. In dit model vormen de twee wikkelinghelften samen de primaire zijde van de trafo. De secundaire zijde van de trafo levert spanning en stroom aan spoel L1 die de inductantie van de wikkeling modelleert.

Wanneer slechts 1 helft van de wikkeling bekrachtigd wordt, bijv. de linker helft, dan loopt er geen stroom door de rechterhelft. De spanning op de wikkeling wordt door de trafo 1-op-1 overgezet op L1. De rechterhelft speelt dan geen enkele rol. Maar je kunt wel de spanning die over de linkerhelft staat, ook meten op de rechterhelft!

Toelichting vervangingsschema

• De stroom door door L1 zorgt voor het motorkoppel. Het koppel is evenredig met déze stroom.
• De trafo bestaat uit 3 gelijke windingen waarvan er 2 onderling verbonden zijn in de gemeenschappelijke aansluitdraad van de wikkeling. In dit model zijn alle windingen identiek. Daardoor zijn de spanningen over alle windingen altijd identiek en is de stroom door de secundaire winding (en door L1) gelijk aan de som van de stromen door de primaire windingen.
• De inductantie van de motor is gemodelleerd door L1.
• De inductanties LS1 en LS2 modelleren de ongelijkheid die er in een echte motor altijd zal bestaan tussen de twee wikkelinghelften.
• De weerstanden R1 en R2 representeren de fysieke weerstand van de wikkelingen.
• Dit model gaat uit van een niet-bewegende motor. Want een draaiende motor zorgt voor een tegen-EMK in de secundaire winding en die is in dit model niet meegenomen.

Kortsluiting

Wanneer we R1, R2, LS1 en LS2 even wegdenken, en we sluiten 1 winding kort (wat de vrijloopdiodes doen) terwijl de andere wikkeling bekrachtigd wordt, dan zal de spanning over de kortgesloten winding 0V zijn, want kortgesloten. Er zal ook geen spanning staan over de secundaire winding en er zal dus ook geen stroom lopen door L1. De motor zal niet in beweging komen. Ook de spanning over de bekrachtigde winding zal in een ideale trafo 0V zijn. De bekrachtigde winding gedraagt zich daardoor als een kortsluiting en er zal dus een hoge stroom gaan lopen zonder dat de motor gaat draaien.

Maar in een echte motor zijn R1 en R2 natuurlijk niet weg te denken. Zij beperken de stroom. Dat zorgt voor een aanzienlijke spanningsval over deze weerstanden. Hierdoor komt er minder spanning over de trafowindingen te staan. En daardoor zal de secundaire spanning evenredig minder worden. Er komt dus minder spanning over L1 en daardoor zal de stroom die voor het koppel zorgt ook aanzienlijk minder worden.

Dus behalve dat er een veel te hoge stroom gevraagd wordt van de aansturende transistor, zal er ook veel minder koppel genererende stroom door de motor lopen.

Hoe moet het dan wel?

Het grote probleem is dat de kathodes van de vrijloopdiodes allebei aan de gemeenschappelijke aansluiting van de wikkelingen zitten. Dat zorgt voor de besproken kortsluiting. Maar waar moeten ze dan aangesloten worden? Het antwoord op die vraag is niet eenvoudig, dat blijkt uit de volgende pogingen.

Poging 1 – Vul een condensator

In onderstaand schema vullen de vrijloopdiodes condensator C. Door het trafo-effect zal deze in elk geval worden opgeladen tot tweemaal de voedingsspanning. Dat is prima. Maar de vrijloopdiodes zijn bedoeld om de spoelstroom vrij baan te geven op het moment dat de aansturende transistor gesperd wordt. Die spoelstroom zal de condensator steeds verder vullen, tot het oneindige of tot er ergens doorslag optreedt. Het is dus zaak om parallel aan de condensator een weerstand op te nemen die uiteindelijk de energie die vrijkomt uit de motorspoelen in warmte omzet. Deze weerstand moet zorgvuldig gekozen worden: als de waarde te hoog is, zal de spanning op de condensator te hoog worden. Als hij te laag gekozen wordt, zal hij de niet actieve windingen alsnog belasten. Bij kleine motoren kan een flinke zenerdiode met een zenerspanning van iets meer dan de voedingsspanning een oplossing bieden.

Poging 2 – Extra spoel

Een andere oplossing bestaat uit een extra spoel tussen de voedingsspanning en de gemeenschappelijke aansluiting van de wikkeling. Deze moet een inducantie hebben in dezelfde orde van grootte als die van de motorwikkeling. Wanneer nu één winding geactiveerd wordt, zal de gemeenschappelijke aansluiting op de halve voedingsspanning komen omdat de vrijloopdiode de andere winding aan de voedingsspanning koppelt. Dit begrenst enerzijds de spanning over de actieve wikkeling tot de helft van de voedingsspanning maar de inductantie staat ook in serie met die van de motor. De stroom door de motor wordt hierdoor dubbel beperkt. Het is dus zeker geen elegante oplossing.

Poging 3 – Schakel de vrijloopdiodes uit

De vrijloopdiodes zijn alleen nodig op het moment dat er een transistor gesperd wordt. De spoelstroom blijft dan nog even doorlopen en vindt zijn weg door de vrijloopdiode. Zodra de spoelstroom nul is, zou de vrijloopdiode uitgeschakeld kunnen worden. Dit vergt echter extra transistors en de benodigde aansturing.

Poging 4 – Gebruik een H-brug

Vergeet die middenaftakking en stuur de unipolaire motor aan als een bipolaire motor. Dit kan echter alleen bij motoren waarbij de middenaftakking van de twee wikkelingen apart naar buiten gevoerd zijn. Bij een 5-draads motor zijn ze samengevoegd en dan werkt deze oplossing niet.

Kortom

Gebruik geen unipolaire stappenmotor want de aansturing is niet eenvoudig.

Waarom gaat het toch vaak goed?

Toch blijkt de ‘foute’ aansturing vaak toegepast te worden, en waarschijnlijk werkt het meestal prima. Hoe kan dat? Ik zie twee verklaringen:

1. Wellicht zijn er veel motoren waarbij de spoelen niet erg goed gekoppeld zijn. Dan speelt het beschreven probleem een stuk minder.
2. Het betreft meestal kleine motoren met een relatief hoge interne weerstand. Die weerstand beperkt de kortsluitstroom dermate dat het probleem een stuk minder goed merkbaar is.

Ik vermoed dat de tweede verklaring de beste is.