Schrittmotoren
(23)Schrittmotoren sind bürstenlose Gleichstrommotoren, die sich in präzisen Schritten bewegen. Sie haben mehrere Spulen, die in Phasen organisiert sind. Die Versorgung der aufeinanderfolgenden Phasen setzt den Motor Schritt für Schritt in Gang. Dank Computersteuerung können sie positioniert und geschwindigkeitsgesteuert werden. Daher sind Schrittmotoren die erste Wahl für viele Präzisionsanwendungen in der Verkehrssteuerung.
Merkmale von Schrittmotoren
Schrittmotoren bewegen sich in präzisen, wiederholbaren Schritten, deshalb eignen sie sich perfekt für Anwendungen wie 3D-Drucker, CNC, Kameraplattformen und XY-Plotter Der Vorteil von Schrittmotoren ist die Zuverlässigkeit dank dem Fehlen von Bürsten. Die Lebensdauer des Motors hängt daher von der Lebensdauer der Lager ab.
Präzise Bewegungsschritte ermöglichen eine perfekte Kontrolle der Drehzahl. Außerdem haben normale Gleichstrommotoren bei niedrigen Drehzahlen nicht viel Drehmoment. Ein Schrittmotor hat jedoch sein maximales Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, daher ist er eine gute Wahl für Anwendungen mit niedriger Drehzahl und hoher Präzision.
Aufgrund der Abhängigkeit des Motors von diskreten Impulsen ist es möglich, ihn in einer offenen Schleife zu steuern. Dies macht die Steuerung des Schrittmotors einfacher und kostengünstiger.Diese Fähigkeit, in einer offenen Schleife genau zu steuern, ist der bedeutendste Vorteil des Schrittmotors. Open-Loop-Betrieb bedeutet, dass kein Feedback erforderlich ist. Dank dieser Steuerung werden beispielsweise optoelektronische Encoder nicht mehr benötigt, was zur Kostenreduzierung führt. Positionen werden durch Zählen der Eingangsimpulse gefunden.
Es soll jedoch brachtet werden, dass Schrittmotoren dazu neigen, sich zu erhitzen, da sie die meiste Energie verbrauchen, wenn sie überhaupt nicht laufen. Anders als bei Gleichstrommotoren ist die Stromaufnahme eines Schrittmotors also unabhängig von der Last. Ein weiterer Nachteil ist das geringere Drehmoment bei hohen Drehzahlen. Sie können jedoch für eine bessere Leistung bei hohen Geschwindigkeiten optimiert werden, müssen jedoch mit dem entsprechenden Treiber gepaart werden, um diese Leistung zu erreichen.
Im Gegensatz zu Servomotoren haben die meisten Schrittmotoren keine integrierte Positionsrückmeldung
Typen von Schrittmotoren
Es gibt viele verschiedene Typen von Schrittmotoren auf dem Markt, von denen einige hochspezialisierte Treiber erfordern. Am beliebtesten sind Schrittmotoren, die von handelsüblichen Treibern angetrieben werden. Dies sind: Permanentmagnet- oder Hybrid-Schrittmotoren, zweiphasig zweipolig oder vierphasig einpolig.
Wichtige Funktionen bei der Auswahl eines Schrittmotors
Die Parameter des Schrittmotors sind die Nennspannung der Wicklungen, die Versorgungsspannung, der Nennstrom, der verwendet werden kann, um den Motor nicht zu überlasten, der Wicklungswiderstand, das Trägheitsmoment des Rotors, das Moment des Motors im Stillstand bei Versorgung mit Nennstrom (sogenanntes Haltemoment), Drehmomentverlauf des Motors in Abhängigkeit von der Anzahl der Impulse pro s (pps), maximale Drehzahl (ohne Last), Drehzahl Start-Stop, Abmessungen vom Gehäuse, meist entlang der Rotationsachse, und die Masse.
Eines der ersten Dinge, die man vor dem Kauf berücksichtigen sollt, ist die Arbeit, die der Motor leisten muss. Je größer die Motoren sind, desto mehr Leistung können sie liefern. Schrittmotoren sind in verschiedenen Größen erhältlich. Große Motoren werden in 3D-Druckern und kleineren CNC-Fräsmaschinen verwendet. Kleinere Motoren finden wir in der Robotik.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist das Drehmoment des Schrittmotors. Es hängt von seiner Drehzahl ab. Wenn sich die beiden Pole in Rotor und Stator gegenüberliegen, hat der Motor das höchste Drehmoment. Bei der Ausführung des Schrittes entstehen Momente, in denen sich die Pole aufeinander ausrichten, bis sich der Rotor auf den nächsten Pol dreht. Bei zu hoher Last springt der Motor möglicherweise nicht zwischen den Zähnen. Er kann sogar rückwärts gehen.
Die Anzahl der Schritte in einem Schrittmotor
Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist die erforderliche Positionierungsauflösung. Die Schritte pro Umdrehung reichen von 4 bis 400. Üblicherweise verfügbare Schrittnummern sind 24, 48 und 200.Die Auflösung wird oft in Grad pro Schritt angegeben. Ein 1,8° Motor ist ein Motor mit 200 Schritten/Umdrehung. Kompromiss für hohe Auflösung sind Drehzahl und Drehmoment. Höhere die Anzahl der Schritte, die zum Drehen der Schrittmotoren erforderlich sind, führt zu einem geringeren Drehmoment.
Antriebsmechanismus für Schrittmotoren
Der Weg zu einer hohen Positionsauflösung führt über das Getriebe. Ein 32:1-Getriebe, das auf den Ausgang eines 8-Schritt-/Umdrehungs-Motors angelegt wird, ergibt einen 256-Schrittmotor. Der Getriebezug erhöht auch das Motordrehmoment. Die kleinsten Getriebe-Schrittmotoren haben ein beeindruckendes Drehmoment. Aber Geschwindigkeit ist natürlich der Kompromiss.
Wellenarten in Schrittmotoren
Eine andere zu berücksichtigende Sache ist, wie der Motor mit dem Rest des Antriebsstrangs verbunden wird. Die Motoren sind mit verschiedenen Wellenarten erhältlich:
- Rund- oder D-Welle: Diese sind in einer Vielzahl von Standarddurchmessern erhältlich und es gibt viele Riemenscheiben, Zahnräder und Wellenkupplungen, die darauf abgestimmt sind. Die D-Wellen haben eine abgeflachte Oberfläche, um ein Verrutschen zu verhindern. Sie werden gerne bei hohen Drehmomenten verwendet.
- Welle mit Verzahnung: Einige Wellen haben gefräste Verzahnungen. Sie sind normalerweise so konzipiert, dass sie mit modularen Zahnrädern arbeiten.
- Spindelwelle: Motoren mit Spindelwellen werden beim Bau von Linearantrieben verwendet. Ihre Miniaturversionen sind als Kopfpositionierer in vielen Festplattemlaufwerken zu finden.
Verkabelung von Schrittmotoren
Es gibt viele Variationen der Schrittmotorverkabelung. Es lohnt sich, einige zu berücksichtigen, wenn sie mit allgemein verfügbaren Treibern verwendet werden. Es sind Permanentmagnet- oder Hybrid-Schrittmotoren, die als 2-Phasen-Bipolar oder 4-Phasen-Unipolar verdrahtet sind. Ein Schrittmotor kann eine beliebige Anzahl von Spulen haben und alle Spulen einer Phase werden zusammen erregt.
Unipolarer und bipolarer Schrittmotor
Unipolare Treiber versorgen die Phasen immer gleich. Ein Pol wird immer negativ und der andere immer positiv sein. Unipolare Treiber können mit einfachen Transistorschaltungen implementiert werden. Der Nachteil ist, dass das verfügbare Drehmoment geringer ist, da nur die Hälfte der Spulen gleichzeitig erregt werden kann. Bipolare Treiber verwenden eine H-Brückenschaltung, um den Stromfluss durch die Phasen tatsächlich umzukehren. Durch Versorgung der Phasen mit wechselnder Polarität kann man alle Spulen durch Drehen des Motors starten.
Zusätzliche Komponenten
Es ist zu beachten, dass der Schrittmotor eine Komponente ist und nicht alleine arbeitet, daher sollten der Motor und die Steuerung beim Bau des Antriebs berücksichtigt werden. Die Parameter beider Elemente sind genauso wichtig. Die Auswahl des Motors und des Reglersatzes hat einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften des Antriebssystems. Die derzeit verwendeten Grundtypen von Schrittmotorsteuerungen sind: Vollschrittsteuerung, Halbschrittsteuerung, Mikroschrittsteuerung.
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