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Schrittmotor – Arten und Anwendungsbeispiele der Schrittmotoren

2020-09-08

Schrittmotor – Arten und Anwendungsbeispiele der Schrittmotoren

Beim Schrittmotor handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstrommotor, in dem die Umdrehung in eine gewisse, sich aus der Bauform des Motors ergebende Anzahl von Schritten (Winkeln) eingeteilt wird. Typischerweise wird eine vollständige Wellenumdrehung um 360° in 200 Schritte eingeteilt, was mit einem Schrittwinkel von 1,8° gleichbedeutend ist. Erhältlich sind aber auch Motoren mit einem Schrittwinkel von 2; 2,5; 5; 15 oder 30°.

Die beschriebene Funktionalität kann dank dem speziell ausgelegten Gehäuse eines Schrittmotors erreicht werden, wovon in weiterem Teil dieses Beitrags noch die Rede sein wird. Dadurch, dass die vollständige Wellenumdrehung in gewisse diskrete Abschnitte eingeteilt wird, dreht sich ein Schrittmotor nicht gleichmäßig, sondern schrittweise, indem die Zwischenzustände überschritten werden, daher wird der Betrieb eines Schrittmotors durch charakteristische Geräusche und Vibrationen begleitet.

Heutzutage werden die Schrittmotorencontroller anhand von den digitalen Treibersteuerungssystemen zur Erhöhung der Belastbarkeit der Ausgänge. In einem solchen Treiber befindet sich normalerweise ein Mikrocontroller, obwohl dies nicht zwingend notwendig ist, denn derartige Controller können auch anhand von Gattern und Flipflops problemlos ausgeführt werden. Die Steuerungsart des Motors selbst hängt von dem jeweiligen Motortyp, der Anzahl von Phasen sowie davon ab, ob die Steuerung mit oder ohne Rückkopplung erfolgt. In manchen Treibern kann der durch Wicklungen fließende Strom mittels der Pulsdauermodulation gesteuert werden, die Drehrichtung und die Schritte (Winkel) werden dagegen mittels der Rechteckfunktionen gesteuert. Bei einem bestimmten Modell des Motors und dessen Treiber sind jedoch für die Feststellung der korrekten Steuerungsmethode die entsprechenden technischen Datenblätter hinzuzuziehen.

Bei Wicklungen, welche die Belastung der Treiberausgänge bilden, handelt es sich um Spulen, die sich durch eine bestimmte Induktivität und Kapazität auszeichnen. Deren Reaktanz erhöht sich mit der steigenden Frequenz, wodurch der fließende Strom eingeschränkt und die maximale Umschaltfrequenz limitiert wird. Bei der Auswahl des Motors für eine bestimmte Anwendung sind immer gewisse Kompromisse in Erwägung zu ziehen, wie beispielsweise die maximale Winkelgeschwindigkeit und das erforderliche Drehmoment in Bezug auf die Auflösung. Dieser Beitrag enthält grundlegende Informationen zu der Funktionsweise bipolarer und unipolarer Schrittmotoren sowie Hinweise zu den Kriterien, die bei der Auswahl des Motors für die jeweilige Anwendung zu berücksichtigen sind.

Wie funktioniert ein Schrittmotor?

Der Schrittmotor besteht aus einem Rotor und einem Stator. Der Stator ist der nicht drehbare Motorteil, wobei sich der Rotor auf einer gelagerten Welle befindet und durch das rotierende, elektromagnetische Feld um den Stator herum gedreht wird. Der Stator – aus Stahl oder einem anderen Metall ausgeführt – bildet das Gerüst für einen Satz von Elektromagneten, die als Spulen ausgeführt wurden, welche an vorbestimmten Stellen um den Rotor herum angebracht wurden. Wenn der Strom durch die Statorspulen fließt, wird um die Spulen herum elektromagnetisches Feld erzeugt. Die Richtung und Stärke der einzelnen magnetischen Flüsse werden durch die Stärke und Richtung des durch die jeweilige Spule fließenden Stroms bedingt.

Wenn die Spule mit Strom versorgt wird, wird das an dem Rotor angebrachte Magnet (Zahn) durch das erzeugte Elektromagnet angezogen, da sie jeweils um einen Schritt versetzt sind. Dann wird der Rotor zusammen mit der Welle um einen Winkel gedreht, bei dem dessen Lage im geringsten Widerstand zu dem magnetischen Fluss oder zu der Resultierenden mehrerer Flüsse steht. Nach der Drehung um diesen Winkel wird der nächste Elektromagnet (Spule bzw. Spulen) an dem Stator eingeschaltet und der Rotor wird erneut in die neue Lage angezogen. Durch Umschalten weiterer Spulen erfolgen die Drehungen um weitere Schrittwinkel nach vorne bzw. nach hinten, oder eine volle bzw. teilweise Umdrehung des Rotors und damit auch der Welle.

Anhand von der vorstehenden Beschreibung kann man sich den Schrittmotor als eine Reihe von Elektromagneten vorstellen, die den Rotormagnet anziehen. In Wirklichkeit ist das jedoch viel komplizierter, denn das Magnet wird durch resultierendes Feld angezogen, das um den Satz von Elektromagneten erzeugt wird, was nicht nur den Vollschrittbetrieb, sondern auch den Halbschrittbetrieb (der Schrittwinkel wird durch 2 geteilt) oder sogar den Mikroschrittbetrieb (sog. Microstep) ermöglicht.

Schrittmotor – Vollschrittbetrieb

Die Funktionsweise eines Schrittmotors im Vollschrittbetrieb wurde auf Abbildung 1 präsentiert. In diesem Betriebsmodus wird der Motor um einen Winkel gedreht, der sich aus dessen Bauform ergibt und z.B. 1,8° betragen kann. Aus einfacher Rechnung ergibt sich, dass in diesem Fall für die vollständige Umdrehung 200 Schritte erfolgen müssen (200×1,8°=360°).

Die Wellenbewegung erfolgt, wenn der Strom durch eine oder zwei Spulen fließt. Der Betrieb bei Einspeisung einer einzelnen Spule erfordert die Mindestleistung des Treibers. Beim zweiphasigen Betrieb, der Einspeisung von zwei gegenüberliegenden Spulen, ist eine doppelt so hohe Speisestromleistung erforderlich, dafür werden aber auch die Geschwindigkeit und das Drehmoment erhöht.

Der Motor im Vollschrittbetrieb

Abb. 1. Funktionsweise des Motors im Vollschrittbetrieb bei zweiphasigen Einspeisung

Schrittmotor – Halbschrittbetrieb

Die Funktionsweise des Motors im Halbschrittbetrieb wurde auf Abbildung 2 gezeigt. Wie der Name selbst schon sagt, wird bei diesem Betriebsmodus der diskrete Rotorschritt durch 2 geteilt und bei einem Schritt wird der Rotor um die Hälfte des Nennwinkels gedreht. Bezugnehmend auf das vorstehend genannte Beispiel werden einzelne Schritte alle 0,9° erfolgen und die Anzahl von Schritten für eine volle Umdrehung erhöht sich auf 400.

Beim Halbschrittbetrieb ist die abwechselnde Einspeisung von zwei Phasen (Spulen) erforderlich. Dies trägt zur Erhöhung des Drehmoments im Vergleich mit dem Betrieb bei einphasiger Einspeisung, zu einem „gleichmäßigeren“ Motorbetrieb und der bereits erwähnten Verdoppelung der Winkelauflösung.

Der Motor im Halbschrittbetrieb

Abb. 2. Funktionsweise des Motors im Halbschrittbetrieb bei zweiphasigen Einspeisung

Schrittmotor – Mikroschrittbetrieb (Microstep)

Im Mikroschrittbetrieb wird der Nennschritt in noch kleinere Abschnitte als beim Halbschrittbetrieb geteilt. Der maximale Teilungsfaktor beträgt 256. Die einzelnen Rotorpositionen werden mittels des resultierenden magnetischen Flusses der mittels der Treppenfunktion eingespeisten Spulen erreicht. Der Mikroschrittbetrieb wird bei denjenigen Anwendungen bevorzugt, wo ein „gleichmäßiger“ Motorbetrieb und/oder eine hohe Positionierungsgenauigkeit des Motors erforderlich sind.

Beim Mikroschrittbetrieb des Motors sind die Anforderungen der jeweiligen Anwendung an die Drehgeschwindigkeit des Motors zu berücksichtigen. Wie bereits erwähnt, erhöht sich die induktive Reaktanz der Spule zusammen mit der Tastfrequenz von Strom in den Motorwicklungen. Eine höhere Drehgeschwindigkeit erfordert häufigeres Umschalten, und damit – eine höhere Tastfrequenz der Wicklungen. Dies führt zur Erhöhung der Spulenimpedanz und dadurch zum Rückgang der durchschnittlichen Stromstärke in den Wicklungen. Das ist wiederum für den Motorbetrieb nicht ohne Bedeutung – mit der sinkenden Stromstärke in den Wicklungen wird auch das Drehmoment reduziert, was zur Oszillation, Rotorstopp oder zum Schrittverlust durch den Motor und damit durch den angetriebenen Maschinenteil führen kann. Daher ist beim Mikroschrittbetrieb dem technischen Datenblatt des Motors besondere Aufmerksamkeit zu schenken, welches ein Diagramm enthalten sollte, auf dem der Wert des Drehmoments in der Frequenzfunktion des durch die Spule fließenden Stroms dargelegt sein sollte.

Typen von Schrittmotoren

Der Schrittmotor, im Vergleich mit einem typischen bürstenlosen Gleichstrommotor, ist nicht besonders kompliziert und hat auch keine komplexere Bauform, erfordert jedoch eine höhere Fertigungsgenauigkeit. Die heutigen BLDC-Motoren sind den Schrittmotoren mit Dauermagneten sehr ähnlich, die außerdem auch auf sehr ähnliche Weise gesteuert werden.

Nach dem grundlegenden Kriterium werden die Schrittmotoren nach deren Bauform und der Anzahl von Phasen eingeteilt, die für die Stromversorgung der Spulen erforderlich sind. Je nach der Bauform unterscheiden sich die einzelnen Typen in ihrer Bestimmung (bestimmungsgemäße Anwendung), Auflösung und dem erzielten Drehmoment.

Permanentmagnetschrittmotor

Ein Permanentmagnetschrittmotor könnte zwei Spulen (Elektromagnete) haben, die vier abwechselnde Pole bilden würden, und der Rotor des Motors würde eine radiale Magnetisierung aufweisen. Die Änderung der Rotorposition würde in der Änderung der Stromrichtung in den Spulen bestehen, was eine Änderung der magnetischen Pole verursachen würde. Bei entsprechender Änderung der Stromrichtung würde sich der Rotor in einem solchen Motor um 90° drehen. Der einzelne Schritt dieses Motors, obwohl er bei gewissen Anwendungen nützlich sein könnte, wäre jedoch sehr groß und wenig präzise. In der Praxis verfügen die Permanentmagnetschrittmotoren daher über einen Rotor mit mehreren Polen und an dem Rotor befinden sich mehrere Magneten für eine höhere Anzahl von Schritten und präzisere Positionierung.

Normalerweise führen die Permanentmagnetschrittmotoren einen Schritt alle 7,5° bis zu 15° aus, was von 48 bis zu 24 Schritten je eine volle Umdrehung ausmacht. Magnetisierte Pole des Rotors wirken sich auf die Erhöhung der magnetischen Induktion aus, deswegen zeichnen sich die Permanentmagnetschrittmotoren durch ein höheres Drehmoment aus. Die unkomplizierte Bauform trägt zu einem erschwinglichen Preis dieses Motors bei einer relativ geringen Auflösung bei.

Variable Reluktanzschrittmotoren

Variable Reluktanzschrittmotoren gehörten zu den ersten Modellen der Schrittmotoren. Heutzutage kommen sie nicht oft vor und werden auch relativ selten eingesetzt. Bei diesem Motortyp besteht der Rotor aus mehreren Zähnen aus Weicheisen. Wenn die Statorspulen mit Gleichstrom versorgt werden, wird der Rotorzahn durch das magnetische Feld angezogen. Dank der Sequenzschaltung dreht sich der Rotor um einen Winkel um, der sich aus der Bauform des Motors ergibt.

Derartige Motoren, obwohl sie eine unkomplizierte Bauform haben und einfache Steuerung ermöglichen, verfügen über eine geringe Auflösung und ein geringes Drehmoment.

Hybridschrittmotor

Der Hybridschrittmotor ist einer der in den Industrieanwendungen am häufigsten eingesetzten Schrittmotoren. Er zeichnet sich durch eine hohe Auflösung aus – der Rotor führt die Schritte alle 0,9° bis zu 3,6° (von 400 bis zu 100 Schritten) aus. Derartige Motoren übertreffen die übrigen Modelle hinsichtlich der Zuverlässigkeit, des Drehmoments, des Haltemoments und der erzielten Drehgeschwindigkeit.

Der Rotor eines Hybridschrittmotors besteht aus Dauermagneten, die im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Permanentmagnetschrittmotoren nicht radial, sondern axial magnetisiert sind. Typischerweise besteht ein Rotor aus zwei Kränzen mit entgegengesetzt gerichteten Magneten, die auf die Motorwelle aufgesetzt wurden. Jeder Kranz hat geschnittene Rillen, welche die Rotorzähne bilden.

Unipolarer und bipolarer Motor

Eine andere Einteilung von Schrittmotoren ergibt sich aus der Ausführungsart der Wicklungen in den 2-Phasen-Motoren. Je nach den Wicklungen wird zwischen den unipolaren und bipolaren Motoren unterschieden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der unipolare Motor mit einer Strompolarisation (Spannungspolarisation), der bipolare Motor dagegen mit zwei Polarisationen betrieben wird, was mit einer abwechselnden Stromflussrichtung in der Spule gleichbedeutend ist. Ein weiterer Unterschied liegt in der Notwendigkeit, die Verbindungen zwischen den Motorspulen so auszuführen, damit der Strom vom Endpunkt einer Spule an den Anfangspunkt der anderen Spule übertragen werden kann. Diese Verbindungsart ermöglicht den Einsatz von Strom (Spannung) mit einer Polarisation. Die Unterschiede in der Bauform der beiden Motorenarten wurden auf Abbildung 3 und 4 vereinfacht dargestellt.

Bipolarer Motor Abb. 3. Bipolarer Motor und Verbindungsart dessen Wicklungen

Unipolarer Motor Abb. 4. Entwurfszeichnung eines unipolaren Motors und Verbindungsart dessen Wicklungen

Der bipolare Motor hat ein höheres Drehmoment als der unipolare Motor, wobei dazu eine viel kompliziertere Steuerung erforderlich ist.

Vor- und Nachteile von Schrittmotoren

Zu den grundlegenden Vorteilen eines Schrittmotors gehören die hohe Genauigkeit, einfache Kontrolle der Rotorposition und der Drehgeschwindigkeit des Rotors. Dies kann bei einer relativ unkomplizierten Bauform und bei niedrigen Kosten einer fertigen Lösung erreicht werden. Das Drehmoment des Motors ist sehr hoch bei einer geringen Drehgeschwindigkeit. In der Bauform des Motors gibt es keine Bürsten, was zu einer hohen mechanischen Beständigkeit und einer größeren Zuverlässigkeit beiträgt. Eine andere wichtige Eigenschaft ist die einfache Motorsteuerung: schneller Start dank dem hohen Drehmoment, einfacher Stopp dank dem hohen Haltemoment und der Möglichkeit, die Drehrichtung schnell zu ändern. Bei vielen Anwendungen ist auch die einfache Gestaltung der Start-Stopp-Kennlinie von großer Bedeutung.

Eines der wesentlichen Nachteile eines Schrittmotors ist dessen Energiebedarf. Für diesen Motor ist die Stromversorgung sowohl bei einer Bewegung, als auch beim Stillstand erforderlich. Das Drehmoment des Motors ist bei einer relativ geringen Drehgeschwindigkeit am höchsten und sinkt bei einer höheren Drehgeschwindigkeit. Wie bereits erwähnt, ist das Drehmoment sehr stark mit der Stromstärke in den Spulen verbunden, die wiederum von deren Impedanz abhängig ist, die sich zusammen mit der steigenden Umschaltfrequenz erhöht. Aus diesem Grund kann bei Einhaltung des Drehmoments und der Fähigkeit des Motors, die vorgegebene Belastung zu „meistern“, keine hohe Drehgeschwindigkeit erreicht werden.

Ist das Drehmoment nicht ausreichend, kommt es zu den sog. Schrittverlusten. Daher ist für die zuverlässige Motorsteuerung der Rückkopplungsmechanismus erforderlich, der z.B. aufgrund eines Encoders oder eines anderen Sensors ausgeführt werden kann. Dadurch kann sich der Motorkontroller „versichern“, dass die vorgegebene Anzahl von Schritten ausgeführt wurde.

Schrittmotorsteuerung

Eine gute Praxis beim Aufbau von Antrieben ist die Berücksichtigung des gesamten Satzes, d.h. des Motors samt Treiber, denn die Eigenschaften des gesamten Antriebsystems lassen sich ohne Berücksichtigung der Parameter beider Elemente nicht analysieren. Um es einfach zu machen, könnte man sagen, dass sogar der beste Motor ohne einen guten Treiber nicht ordnungsgemäß laufen wird, und umgekehrt. Die Auswahl des Satzes: Motor + Treiber wird sich auf die Charakteristik des gesamten Antriebsystems entscheidend auswirken.

Der vorherrschende Trend in der Entwicklung von Schrittmotoren neigt zur Einschränkung der Motorträgheit bei gleichzeitiger Erhöhung der Auflösung (Anzahl von Schritten), des Drehmoments und der energetischen Leistung. Daher kann man in der Praxis außer den vorstehend genannten Motorenarten auch deren zahlreichen Modifikationen begegnen, welche die Optimierung der vorgenannten Parameter zum Ziel haben. Die einzelnen Motoren unterscheiden sich je nach dem Anwendungsbereich auch in der Anzahl von Wicklungen und damit auch in dem Steuerungsalgorithmus.

Im Internet sind zahlreiche Treiberentwürfe für Schrittmotoren zu finden, von den einfachsten, mit einem Potentiometer zur Einstellung der Drehgeschwindigkeit und einem Schalter zur Änderung der Drehrichtung oder dem Start-Stopp-Schalter ausgestattet und unter Anwendung von diskreten Komponenten wie Gatter, Flipflops und Transistorschalter ausgeführt, bis hin zu den äußerst komplizierten, beispielsweise anhand von spezialisierten integrierten Schaltkreisen ausgeführten Treibern und DSP-Prozessoren. Es scheint jedoch, dass solche Entwürfe besser für den Bau unprofessioneller bzw. experimenteller Geräte, als für die Anwendungen in der Industriebranche geeignet sind. Hier greifen wir lieber nach den fertigen Lösungen von anerkannten Herstellern.

Für unprofessionelle Anwendungen ist es am einfachsten, einen Motortreiber anhand von Arduino und von einem geeigneten Stromverstärker bzw. Motortreiber zu bauen. Die Auswahl der Platine – des Erweiterungsmoduls hängt von dem eingesetzten Motor ab.

In einem bipolaren Motor ist der Stromfluss in beiden Richtungen sicherzustellen. Daher ist zur Änderung der Richtung des magnetischen Flusses im Kern ein einfacher DIP-Schalter aus abwechselnd geschalteten Transistoren (Halbbrücke) zu verwenden. Bei Steuerung des unipolaren Motors ist der Stromfluss in der jeweiligen Wicklung nur in einer Richtung sicherzustellen, daher ist der Einsatz eines einzelnen Transistorschalters pro Spule ausreichend. Es fällt auf, dass unipolare Steuerung eine geringere Anzahl an Transistorschaltern erfordert, wir wissen jedoch bereits, dass zu dem jeweiligen Zeitpunkt nur die Hälfte der Wicklung betrieben wird, demnach erzeugt auch der unipolare Motor selbst ein geringeres Drehmoment als der bipolare Motor. Der bipolare Motor erfordert also ein ausgebautes Steuersystem, jedoch bieten zahlreiche Halbleiterhersteller spezialisierte integrierte Schaltkreise, die über zwei vollständige Transistorbrücken, Stromkreise zur Sicherung gegen Überhitzung, Überstrom und Überspannung, sowie über Gatter zur Vereinfachung der Motorsteuerung verfügen. Solche integrierten Schaltkreise sind im Portfolio von STM, Toshiba Electric und anderen zu finden.

Entdecken Sie das Angebot an den Controllern

Die Steuerung im Halbschrittbetrieb oder im Mikroschrittbetrieb ist deutlich komplizierter. Sie erfordert nämlich geeignetes Manipulieren der einzelnen magnetischen Flüsse, damit das erzeugte resultierende Feld eine Änderung der Rotorposition nicht um einen vollen Schritt, sondern um einen Schrittteil verursacht.

Schlussbemerkungen

Heutzutage werden Schrittmotoren in vielen verschiedenen Geräten eingesetzt, die eine präzise Bewegungskontrolle und genaue Positionierung erfordern. Daher werden die Schrittmotoren vorwiegend in Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Bewegungskontrolle erfordern, sowie in den Positionierungsgeräten, denn mit einem Computer und einem Treiber lässt sich das entsprechende Gerät und die Software schnell und einfach ausführen. Sie werden auch in den biomedizinischen Geräten, Computerlaufwerken, Druckern, Scannern, intelligenten Beleuchtungssystemen, für die Steuerung von Kameraobjektiven, Position von Regelungselementen in den Verbrennungsmotoren, in der Robotik, 3D-Scannern und 3D-Druckern, XY-Plottern, CNC-Maschinen sowie in anderen Geräten vielseitig eingesetzt. Unter den gängigen Geräten, in den die Schrittmotoren umfassend eingesetzt werden, sind die Drucker zu nennen: von den älteren Nadeldruckermodellen bis hin zu den modernen 3D-Druckern, die mit dem traditionellen Druckvorgang nicht mehr viel gemeinsam haben.

Die Anwendungsmöglichkeiten von Schrittmotoren sind heutzutage sehr gut bekannt und auch durch Hobbybastler einfach zu meistern, die sie beispielsweise zum Aufbau von CNC-Maschinen oder 3D-Druckern für den Hobbybedarf nutzen können. Ein Schrittmotor lässt sich problemlos mittels Arduino mit dem entsprechenden Adapter (z.B. Shield mit dem integrierten Schaltkreis L293D) steuern. Dies eröffnet umfassende Möglichkeiten für die Entwicklung vieler interessanten Anwendungen, die in unterschiedlichen Industriebranchen, zu Hause oder in der Hobbywerkstatt zum Einsatz kommen können.

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