Verschillen tussen DC-motoren en stappenmotoren: Wat te gebruiken?

In dit artikel leer je over de verschillen tussen verschillen DC-motoren en stappenmotoren. Motoren vormen de basis van talloze toepassingen in elektronica, robotica en automatisering. Of je nu een robot bouwt, een CNC-machine bestuurt of een ventilator aandrijft, de keuze voor de juiste motor is cruciaal. We leggen uit hoe de motoren werken, wat hun voordelen en nadelen zijn, en welke toepassingen er bestaan. Op die manier kun je een weloverwogen keuze maken voor jouw project.

Een DC-motor zet elektrische energie om in mechanische energie. Deze motor wordt ook een gelijkstroommotor genoemd. Hij werkt op basis van elektromagnetische principes. Wanneer er spanning wordt aangelegd, loopt er stroom door de spoelen in de rotor. Dat veld werkt samen met permanente of elektromagneten in de stator. Hierdoor ontstaat er een kracht. Die kracht zet de rotor in beweging. De motor draait continu. Dit gebeurt zolang er spanning op de motor staat. Het resultaat is een constante rotatie. De snelheid is afhankelijk van de spanning. Ook de belasting op de motor speelt een rol. Zo is de werking absoluut robuust.

Een typische DC-motor heeft twee hoofdgedeelten. De stator is stil en bevat de magneten. De rotor draait en bevat de spoelen. In traditionele motoren zorgen koolborstels voor de stroom naar de rotor. Een commutator keert de stroomrichting regelmatig om de draaiing te behouden. Lagers verminderen de wrijving en zorgen voor een soepele werking. Deze onderdelen werken samen zeer efficiënt altijd.

Er zijn twee hoofdtypen DC-motoren. Het eerste type is de borstelmotor. Deze motor heeft een eenvoudige aansturing met gelijkspanning. Hij is goedkoop en veelgebruikt. Borstelmotoren bereiken hoge snelheden. Ze worden ingezet in speelgoed en ventilatoren. Een nadeel is dat de koolborstels slijten door wrijving. Dit zorgt voor extra onderhoud. Het tweede type is de borstelloze motor. Dit type motor wordt ook BLDC genoemd. Hij heeft geen koolborstels en is daardoor duurzamer. De borstelloze motor werkt efficiënter en produceert minder warmte. Hij biedt een betere koppelregeling. Wel is de aansturing complexer. Hiervoor is een speciale elektronische controller nodig. Daardoor is deze motor doorgaans duurder dan de borstelmotor. Beide typen hebben hun eigen voor- en nadelen. Elk type motor past perfect in diverse situaties en toepassingen.

DC-motoren worden in vele toepassingen gebruikt. Ventilatoren en pompen maken vaak gebruik van deze motor. Denk aan computerkoelers en airconditioningsystemen. Ook elektrisch gereedschap zoals boormachines en slijpmachines gebruikt men ermee. In de industrie zorgen motoren voor stabiele beweging. Transportbanden draaien soepel. In modelbouw en speelgoed worden ze in elektrische auto's en drones toegepast. Ze bieden eenvoud en snelheid. Hun prestaties worden zeer gewaardeerd.

Een stappenmotor werkt anders dan een DC-motor. In plaats van constant te draaien, beweegt de rotor in vaste stappen. Dit maakt de motor ideaal voor toepassingen die nauwkeurige positionering vereisen. De motor bestaat uit een stator met meerdere spoelen en een rotor. De spoelen worden in een bepaalde volgorde bekrachtigd. Hierdoor beweegt de rotor in stappen. De stapgrootte wordt vaak uitgedrukt in graden, zoals 1,8° per stap. Microstepping kan de precisie verbeteren door kleinere stappen mogelijk te maken. Er zijn twee varianten van stappenmotoren.

De unipolaire motor heeft eenvoudigere aansturing door centrale aftakkingen per spoel. Dit maakt de motor goedkoper, maar het koppel is vaak lager en de efficiëntie niet optimaal.
De bipolaire motor heeft een hoger koppel en is efficiënter, maar de aansturing is complexer. Dit vereist een driver en H-brug, wat biedt dat meer elektronica in kennis nodig is.

Stappenmotoren bieden diverse voordelen. Ze leveren nauwkeurige en herhaalbare bewegingen, wat nuttig is voor toepassingen als 3D-printers en CNC-machines. Deze motoren behouden hun koppel bij stilstand, wat remsystemen overbodig maakt. Vaak is open-lus besturing mogelijk, waardoor geen externe feedback nodig is. Nadelen zijn onder andere een beperkte snelheid (minder dan 2000 RPM) en koppelafname bij hoge snelheden, wat kan leiden tot stappenverlies. Ze verbruiken ook constante stroom, zelfs als ze stilstaan.

Stappenmotoren vinden toepassing in veel gebieden. Denk aan 3D-printers, voor de positionering van de printkop en het bed. In CNC-machines en graveermachines worden ze gebruikt voor het maken van nauwkeurige snedes. Robotica maakt gebruik van de motor voor herhaalbare bewegingen. Camera- en telescopische systemen hebben ze nodig voor soepele bewegingen en het volgen van objecten. Precisie-instrumenten, zoals die in de medische technologie, maken gebruik van stappenmotoren voor exacte bewegingen zonder externe feedback.

Beide motortypen hebben hun eigen sterke punten. Hieronder vergelijken we de belangrijkste eigenschappen:

Precisie en Controle

• DC-motor:
  • Draait continu en is minder geschikt voor exacte positiebepaling.
  • Voor nauwkeurige positionering is extra apparatuur zoals een encoder nodig.
• Stappenmotor:
  • Beweegt in discrete stappen, waardoor zeer nauwkeurige posities bereikt kunnen worden.
  • Kan met microstepping zelfs extra fijne stappen uitvoeren, zonder externe feedback.

Snelheid en Koppel

• DC-motor:
  • Kan hoge snelheden bereiken, tot wel 10.000 RPM.
  • Geschikt voor toepassingen waarbij snelheid en variabel koppel belangrijk zijn.
• Stappenmotor:
  • Beperkt tot lagere snelheden (vaak onder de 2000 RPM).
  • Levert een stabiel koppel bij stilstand, maar verliest dit koppel bij hogere snelheden.

Energieverbruik en Efficiëntie

• DC-motor:
  • Vooral borstelloze DC-motoren zijn erg efficiënt.
  • Verbruikt geen energie bij stilstand.
• Stappenmotor:
  • Verbruikt constant stroom, zelfs als de motor niet beweegt.
  • Dit kan leiden tot een hoger energieverbruik, vooral bij langdurige standstonden.

Aansturing en Complexiteit

• DC-motor:
  • Eenvoudig te besturen met variabele spanning of pulsbreedtemodulatie (PWM).
  • Draairichting kan vaak eenvoudig worden omgekeerd met een H-brug.
• Stappenmotor:
  • Vereist een speciale driver die de spoelen in de juiste volgorde bekrachtigt.
  • De aansturing is complexer en vergt precieze pulsregeling.

Levensduur en Slijtage

• DC-motor:
  • Traditionele borstelmotoren kunnen door slijtage van de koolborstels een kortere levensduur hebben.
  • Borstelloze varianten bieden een langere levensduur.
• Stappenmotor:
  • Omdat ze geen borstels hebben, is de slijtage over het algemeen minimaal.
  • Geschikt voor langdurig en betrouwbaar gebruik, mits correct toegepast.

De keuze tussen een DC-motor en een stappenmotor hangt af van de specifieke eisen van jouw project. Hieronder vind je een praktische gids:

Kies een DC-motor als je:

• Hoge snelheden en continue rotatie nodig hebt: Bijvoorbeeld voor ventilatoren, elektrische voertuigen of transportbanden.
• Eenvoudige aansturing belangrijk is: Met minimale elektronische componenten en eenvoudige PWM-regeling.
• Kostenefficiëntie en brede beschikbaarheid essentieel zijn: DC-motoren zijn vaak goedkoper en makkelijker te verkrijgen.
• Nauwkeurige positionering minder belangrijk is: Waar een constante, snelle rotatie voldoende is.

Kies een stappenmotor als je:

• Zeer nauwkeurige positionering en herhaalbare bewegingen vereist zijn: Dit is belangrijk voor 3D-printers, CNC-machines, robotarmen en precisie-instrumenten.
• Beweging in discrete stappen of exacte hoeken nodig is: Dankzij vaste stapgroottes en de mogelijkheid tot microstepping.
• Een open-lus besturing zonder complexe externe sensoren wenselijk is: Dit vereenvoudigt de besturing voor toepassingen die niet afhankelijk zijn van feedback.
• Een stabiel koppel bij stilstand belangrijk is: Zonder de noodzaak voor extra remmechanismen.

Een goede aansturing is cruciaal voor het optimale gebruik van zowel DC-motoren als stappenmotoren.

Aansturing van DC-motoren:

• Directe aansturing: Hierbij wordt de motor rechtstreeks op een spanningsbron aangesloten. Dit is eenvoudig maar biedt weinig regelmogelijkheden.
• Pulsbreedtemodulatie (PWM): Met PWM kan de snelheid van de motor nauwkeurig geregeld worden. De spanning wordt snel in- en uitgeschakeld, wat een gemiddelde spanning oplevert.
• H-brug schakeling: Hiermee kan de draairichting van de motor eenvoudig worden omgekeerd. Dit is handig bij toepassingen waar zowel snelheid als richting belangrijk zijn.

Aansturing van stappenmotoren:

• Specifieke drivers: De driver zorgt ervoor dat de spoelen in de juiste volgorde bekrachtigd worden. Dit is essentieel voor een vloeiende en nauwkeurige beweging.
• Volle stappen en halve stappen: Bij volledige stappen beweegt de motor per vaste hoek (bijvoorbeeld 1,8°). Bij halve stappen wordt de resolutie verdubbeld.
• Microstepping: Deze techniek maakt het mogelijk om de beweging in nog kleinere stapjes te verdelen. Dit resulteert in een zeer vloeiende en precieze beweging. Dit is ideaal voor toepassingen die maximale nauwkeurigheid vereisen.

Populaire drivers voor stappenmotoren zijn bijvoorbeeld de A4988, DRV8825, TMC2209 en TB6600. Voor DC-motoren zijn er eveneens diverse drivers zoals de L298N, DRV8871 en TB6612FNG beschikbaar.

Ongeacht welk type motor je kiest, er zijn een aantal valkuilen die je kunt tegenkomen. Hier volgen enkele tips om problemen te voorkomen:

Bij DC-motoren:

• Onvoldoende voeding: Zorg dat de voeding voldoende spanning en stroom levert. Zo kan de motor op de juiste snelheid draaien.
• Bescherming tegen stroompieken: Gebruik flyback-diodes (bijvoorbeeld 1N4007). Hiermee bescherm je de driver tegen spanningspieken bij het starten of stoppen.
• Optimale PWM-instellingen: Experimenteer met verschillende frequenties. Bijvoorbeeld tussen 1 kHz en 20 kHz voor een stabiele motorwerking.
• Koeling: Controleer de temperatuur en gebruik indien nodig koellichamen of ventilatoren om oververhitting te voorkomen.

Bij stappenmotoren:

• Juiste stroominstelling: Stel de stroomlimiet nauwkeurig in volgens de datasheet van zowel de motor als de driver. Te hoge of te lage stroom kan de prestaties beïnvloeden.
• Stabiele voeding: Zorg voor een voeding die past bij de motor (vaak tussen 12V en 24V) om onverwachte resets te voorkomen.
• Gebruik van microstepping: Dit helpt om trillingen te verminderen en de beweging vloeiender te maken.
• Bekabeling controleren: Verkeerd bedrade spoelen kunnen leiden tot onregelmatige bewegingen. Controleer de bekabeling altijd nauwkeurig.
• Gecontroleerde acceleratie: Bij het opstarten van een stappenmotor is het belangrijk om de snelheid geleidelijk op te bouwen om stappenverlies te voorkomen.
• Eindschakelaars: In systemen zoals CNC-machines of robotarmen kunnen eindschakelaars schade voorkomen. Deze schakelaars laten de motor stoppen bij het bereiken van mechanische grenzen.

De keuze tussen een DC-motor en een stappenmotor is afhankelijk van de eisen van je project.

• Als je snelheid en een eenvoudige aansturing belangrijk vindt. Kies dan voor een DC-motor. Deze motoren zijn ideaal voor toepassingen zoals ventilatoren, elektrische voertuigen, transportbanden en elektrisch gereedschap.
• Als je nauwkeurigheid en herhaalbare bewegingen nodig hebt. Kies dan voor een stappenmotor. Dankzij de discrete stapbewegingen en de mogelijkheid tot microstepping zijn deze motoren perfect voor 3D-printers, CNC-machines en robotica.

Het is belangrijk om de specificaties van je project goed te analyseren. Test de motor in een prototype, lees de datasheets en controleer of de voeding en koeling adequaat zijn. Met de juiste kennis en apparatuur kun je de motor kiezen die het beste past bij jouw toepassing.

Het maakt niet uit of je een hobbyist of een professionele ingenieur bent. De wereld van motoren biedt vele mogelijkheden. Met een weloverwogen keuze leg je de basis voor succes in elk elektronisch, robotisch of geautomatiseerd project.