Je kunt in onze werkplaats voor je projecten en je prototypes kiezen uit verschillende soorten motoren. Het is handig om de verschillen te verkennen.

Welke electromotoren

In enkele hands-on labs ga je aan de slag om zelf een aansturing te maken voor enkele typen motoren.

• Servo motor
• DC-motor met motor driver
• Stappenmotor

We kijken ook naar de drie fasen draaistroom motor, en we leggen uit hoe we de stappenmotor gebruiken om te ervaren hoe je dit type motor kunt toepassen.

Wij kunnen aan de slag met de volgende motoren

• Gelijkstroom (DC) motor. Aansturing met een relais.
• Gelijkstroom (DC) motor. Aansturing met een motor controller met H-brug.
• Servo motor. Aansturing middels PWM signaal.
• Stepper motor. Aansturing met een dual fase motor controller.

Traditionele uitleg over electromotoren opzoeken

Elke electromotor werkt met spoelen en magneten. Een spoel wordt bekrachtigd en door de aantrekkende werking gaat een motor draaien. Dat kan op verschillende manieren.

Op het internet is er best veel uitleg te vinden over de verschillende types, en ook je vakdocent kan je hierbij helpen. Je moet nu zelf op zoek om te zien welke types er zijn. Een heel uitgebreide beschrijving vind je op Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_motor

Lees op je eigen manier welke types motoren er zijn, en wat de verschillen zijn. Overleg eventueel met je vakdocent.

DC-motor bedienen

De DC-motoren vinden we in allerlei maten. Bij zo’n motor wordt opgegeven wat het onbelast toerental is. Het werkelijk toerental bij belasting zal dan lager zijn. Deze motoren zijn beschikbaar van heel groot tot heel klein.

Bij de DC-motoren moet je bovendien opletten voor welk voltage de motor is bedoeld. Het vermogen van de motor is belangrijk, en bij een krachtigere motor kan je ook een hoger voltage verwachten.

We kunnen in onze labs de motor vrij eenvoudig bedienen met een relais. Je wisselt dan tussen aan- en uit, en door handig aan te sluiten kan je ook de aansluiting omwisselen om de draairichting om te keren. Let op: in de praktijk wordt dit niet veel gedaan.

Het is handiger om deze motor te bedienen met vermogens electronica. Een kleine versie daarvan is ons DC-controller board. Met deze controller kan je voor twee motoren de voedingsspanning aan- en uit schakelen, en je kunt de aansluitrichting omkeren. Door met een PWM-signaal de controller snel aan-en uit te sturen zorg je dat de motor maar een deel van het vermogen krijgt, en daardoor draait de motor langzamer. Zo kan je een snelheidsregeling maken.

Labs:

• DC-motor aan/uit: https://junioriot.nl/arduino-blink-motorcontroller/
• DC-snelheidsregeling: https://junioriot.nl/arduino-pwm-motorcontroller/

Servo motoren bedienen

Bij het gebruik van een DC-motor weet je eigenlijk niet welke snelheid deze precies zal draaien, of in welke stand deze staat. Een servo motor is gebouwd met een DC-motor en een positie terugmelding.

Met een digitale encoder kan zeer nauwkeurig de positie worden bepaald. Gecombineerd met krachtige motoren kunnen zo grote en nauwkeurige robotarmen worden gebouwd. Een goedkopere oplossing is om de positie van de motor te meten middels een draaiweerstand.

Ook de goedkopere servomotoren zijn op deze manier gebouwd. Middels een ingebouwde tandwielkast geeft de servomotor een rustige en relatief krachtige beweging. De vermogenselectronica voor het bekrachtigen van de motor is in deze servo motor ingebouwd. Zoek de details eens op, we gebruiken meestal de types SG90 en MG90. Voor jullie toepassingen zijn ook grotere en sterkere varianten beschikbaar.

De besturing gebeurt met een digitaal puls signaal. De duur van de puls in milli-seconden geeft aan in welke hoek de servo moet staan. De ingebouwde controller zorgt dat de motor naar deze stand beweegt, en behoudt de positie binnen een marge van circa plus en min 4 graden. Doordat de controller in elke servomotor is ingebouwd, kunnen we de motor direct vanuit de Arduino Nano besturen.

Labs:

• Arduino Sweep: https://junioriot.nl/arduino-sweep/
• Joystick servo: https://junioriot.nl/lab-joystick-servo/

Draaistroommotoren en stappenmotoren aansturen.

Draaistroom motoren worden gevoed met drie fasen. De draaisnelheid van deze motoren wordt bepaald door de frequentie van de AC spanning van de verschillende fasen. De draaistroom motor kan worden gebouwd in zeer robuuste uitvoeringen. Dit maakt deze motor geschikt voor toepassingen met zware belasting, waarbij de draaisnelheid exact gestuurd moet worden. Het is een krachtige motor.

Een toepassingsvoorbeeld van een draaistroommotor is een printstraat van een dagblad. Papier van een grote rol loopt door verschillende drukmachines achter elkaar. Om de kranten zo snel mogelijk te kunnen drukken wordt het papier zo snel mogelijk door de machines gevoerd. Dit kan alleen als de snelheid van alle rollen in de gehele printstraat precies op elkaar is afgestemd. Bovendien moeten de motoren veel kracht kunnen leveren. Met de juiste frequentieregelingen is de draaistroom motor hier erg geschikt voor.

Een stappenmotor kan je zien als een uitgebreide meer-fasen motor. De draaisnelheid van de motor wordt ook hier gestuurd door de frequentie van de spanningswisselingen op de twee verschillende spoelen. Een spanningswisseling op de spoelen zorgt voor één stap. Hoeveel de motor verdraait hangt af van de bouw. Een gebruikelijk type geeft 200 stappen per omwenteling, dus is 1,8 graden per stap. Deze motor kan nauwelijks kracht leveren, en is vooral bedoeld voor nauwkeurige positionering. Bij een te zware belasting kunnen makkelijk stappen worden overgeslagen.

De tweefase stappenmotor, of bipolaire stappenmotor, heeft twee spoelen. Deze motor wordt in het formaat NEMA14 veel gebruikt in de 3D printers die we vaak op school en thuis tegenkomen. Met de juiste aansturing kunnen met deze motoren nauwkeurige bewegingen worden gerealiseerd. De gebruikelijke types hebben vier aansluitdraden, om per twee telkens één spoel te bekrachtigen.

Een vierfase stappenmotoren heeft vier spoelen. We gebruiken in de labs wel het type 28BYJ. De vierfase stappenmotor heeft vaak vijf aansluitdraden, één common en één voor elk van de spoelen. Door het anders aansluiten van de draden kan je deze vaak ook gebruiken als een tweefase stappenmotor.

We laten de tweefase motoren draaien door beide spoelen afwisselend te bekrachtigen. Hiervoor zijn verschillende controllerboards beschikbaar. We kunnen de stappenmotor ook bedienen met de twee DC-motor besturingen van ons DC-controller board.

Labs:

• De L298N motor controller en de 28BYJ motor: (lab moet nog worden beschreven)

Grotere motoren?

Je hebt in deze miniserie met motoren gewerkt waarmee je makkelijk op je eigen keukentafel aan de slag kunt. Je herkent nu een aantal werkingsprincipes.

In de industrie zal je voornamelijk grotere motoren tegenkomen. Ook de vermogenselectronica is dan robuust gebouwd om te garanderen dat je machine lang genoeg blijft werken.