mini|Schrittmotor mit permanentmagnetischem Läufer
Ein Schrittmotor ist ein Synchronmotor oder ein Reluktanzmotor, dessen Rotor durch ein rotierendes elektromagnetisches Feld des Stators gedreht wird, wobei hohe Polpaarzahlen und kleine Leistungen typisch sind. Die Polschuhe sind oftmals als Kamm unterteilt (gezahnt). Schrittmotoren gibt es auch als Linearmotoren.
Die Bewicklung des Stators ist meist zweiphasig, d. h. es gibt zwei Spulen. Der relativ kleine Winkel, der während einer Periode einer der Phasenströme zurückgelegt wird, heißt Schritt. Der Motor kann in halben Schritten oder ganzzahligen Vielfachen davon gedreht werden, wenn die Spulen lediglich geschaltet und umgepolt werden (Rechteckbetrieb). Durch einzeln gesteuerte Spulenströme können die Motoren auch in kleineren Teilschritten arbeiten (Mikroschrittbetrieb).
Positionierung mini|Schema eines Schrittmotors mit vier Schritten für eine Umdrehung (und unipolarer Beschaltung) mini|Animation mit Reluktanzschrittmotor
Schrittmotoren folgen exakt dem außen angelegten Feld und können auch ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber o. ä.) genau betrieben werden. Sie zeigen damit ein ähnliches Verhalten wie Synchronmotoren, weisen aber in der Regel deutlich mehr Polpaare auf.
Daher können Schrittmotoren einfacher betrieben werden als z. B. Servomotoren (i. d. R. Gleichstrom- oder Synchronmotoren mit Positionsgeber), welche auf die gewünschte Position eingeregelt werden müssen.
Für einen besonders homogenen Verlauf werden Schrittmotoren mit einem gleichförmigen Drehfeld angesteuert.
Schrittverlust Wird ein Schrittmotor durch ein externes Lastmoment oder durch die anzutreibende Masse beim starken Beschleunigen bzw. Verzögern überlastet (d. h. Lastmoment > Motormoment), so kann der Rotor dem Drehfeld nicht mehr folgen; Schritte werden übersprungen, und die Information über die aktuelle Position des Rotors geht verloren. Bei diesem Schrittverlust springt der Motor in die vorherige oder nächste Position gleicher Phase zurück.
Durch die Trägheit kommt es ggf. zu einer Serie von verlorenen Schritten. Auftretende Schrittverluste summieren sich und führen dann zu einer fehlerhaften Positionierung.
Gerät der Motor außer Tritt, und Belastung und/oder Schrittfrequenz sinken nicht, so verharrt er.
Dies kann folgendermaßen verhindert werden: Ein Positionsgeber (Inkrementalgeber oder Absolutwertgeber) misst im Rahmen der Quantisierungsabweichung die genaue Drehlage. Die Ansteuerung (Regler) kann sofort nachkorrigieren. Der Motor kann bis zur Leistungsgrenze belastet werden. Die Ansteuerelektronik misst ständig die Spulenspannung und kann anhand der Phasenlage zum Stellwinkel die Last bestimmen. Danach wird der Spulenstrom geregelt.Michael Randt: coolstep - Schrittmotoren energieeffizient betreiben Bei zyklischen oder Rotationsbewegungen kann die Position des Motors bei jedem Zyklus oder jeder Umdrehung durch einen externen Positionsimpuls eines Sensors mit der Grundstellung abgeglichen werden. Die Überlastung wird verhindert, indem der Antrieb überdimensioniert wird.
Jedes Schrittmotorsystem hat eine charakteristische maximale Start-/Stopp-Frequenz, mit der ohne Rampe und Schrittverlust angefahren und angehalten werden kann. Sanftes Anfahren und Verzögern (Rampe) ist für alle höheren Geschwindigkeiten nötig, um Schrittverlust zu vermeiden.
Bauformen mini|Zweiphasiger Hybridschrittmotor mit vier Wicklungen (Schnittdarstellung) mini|Zweiphasiger Hybridschrittmotor mit acht Wicklungen und ausgebautem Rotor
Reluktanz-Schrittmotor Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Bei diesem Material verschwindet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Magnetfeld. Bei eingeschaltetem Strom fließt der magnetische Fluss durch den Weicheisenkern des Rotors. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil vom ebenfalls gezahnten Stator der nächstliegende Zahn des Rotors angezogen wird, da sich so der magnetische Widerstand (d. h. die Reluktanz) verringert.
Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom.
Permanentmagnet-Schrittmotor Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.
Der Permanentmagnetschrittmotor hat aufgrund der Permanentmagnete ein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom und die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) ist begrenzt.
Hybridschrittmotor Der Hybridschrittmotor vereint die positiven Eigenschaften der beiden o. g. Bauformen: die feine Schrittteilung des Reluktanz-Schrittmotors und das gute Drehmoment des Permanentmagnet-Schrittmotors, weswegen nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren Hybridmotoren sind.
In dieser Bauweise wird als Rotor ein Permanentmagnet mit zwei gezahnten Weicheisenkränzen an den Polen eingesetzt; auch die Bauform mit zwei entgegengesetzt gerichteten Magneten und drei gezahnten Kränzen ist verbreitet, Vorteil ist hierbei das erheblich kleinere äußere Magnetfeld. Die zwei bzw. drei Zahnkränze sind jeweils um einen halben Schritt versetzt und bilden einen Polschuh.
Technisch handelt es sich damit um eine spezielle Bauform eines Permanentmagnetmotors, der lediglich durch seinen gezahnten Weicheisenrotor an Reluktanzmotoren erinnert.
Lavet-Schrittmotor
Einphasen-Schrittmotor für mechanische Anzeigen wie den Antrieb der Zeiger in Quarzuhren.
High-Torque-Motor Als High-Torque-Motoren (= hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.
Kenngrößen Die Kenngrößen eines Schrittmotors sind: der Schrittwinkel (bzw. Schrittweg beim Linearmotor) , d. h. der Winkel für einen Vollschritt. Ein Vollschritt tritt bei der Umschaltung des Stromes von einer Wicklung auf die nächste auf. die Anzahl p der Phasen (zumeist 2, aber auch 3 oder 5 möglich) die Schrittanzahl n pro Umdrehung mit
Die Schrittanzahl pro Umdrehung ist andererseits auch ein Vielfaches von 2·p, bei zweiphasigen Schrittmotoren also ein Vielfaches von 4, da sich nach 4 Schritten wieder die gleichen Zähne mit gleicher Polarität gegenüberstehen; bei Linearmotoren entsprechend Schritte für den Gesamtstellweg. der ohmsche Spulenwiderstand R der maximale Strangstrom I; er ergibt sich aus der maximal zulässigen thermischen Belastung bzw. ohmschen Verlustwärme I2•R und kann kurzzeitig höher sein, um ein höheres Drehmoment zu erreichen. die Spuleninduktivität L; sie ist wichtig für die Dynamik des Motors und die Dimensionierung der Freilaufdioden. das Drehmoment im Stand (Haltemoment) für einen gegebenen Strom (hängt ab vom Quadrat des Strangstromes) sowie der Drehmomentverlauf mit steigender Drehzahl (hängt ab von der Treiberschaltung und deren Speisespannung) die Wicklungsanschlussgestaltung: ohne Mittelanzapfung mit Mittelanzapfung mit gemeinsamer Mittelanzapfung. Weiterhin bildet das Trägheitsmoment des Läufers (Rotors) in vielen Anwendungen den Hauptanteil der Massenträgheit und bestimmt somit die Dynamik.
Die Effizienz von Schrittmotoren ist hingegen von untergeordneter Bedeutung, da die Antriebsleistung für die typische Anwendung als Positionierantrieb unwichtig ist. Man nimmt oft eine geringe Effizienz in Kauf, die beispielsweise durch eine geringe Läuferträgheit bedingt ist, um damit hohe Dynamik zu erreichen.
Elektronische Schrittteilung bzw. Mikroschrittbetrieb Um bei einem Schrittmotor den Schrittwinkel zu verkleinern, gibt es die Möglichkeit der elektronischen Schrittteilung, meist als Mikroschrittbetrieb bezeichnet. Dabei werden zwei aufeinanderfolgende Phasen nicht nur an- bzw. ausgeschaltet, sondern in bestimmten Stufen. Dadurch ergeben sich zwei gestufte sowie phasenverschobene Sinus-Funktionen. Durch das Verhältnis der beiden Amplituden zueinander ergeben sich Schritte zwischen den Vollschritten.
Der entstehende Schrittwinkel ergibt sich aus:
mit dem Vollschrittwinkel dem elektronischen Teilungsfaktor st (st = 2: Halbschrittbetrieb, st = 4: Viertelschrittbetrieb, st= 8: Achtelschrittbetrieb, …)
Die Schrittteilung bringt höhere Laufruhe (gleichmäßigeres Drehmoment) und kann im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit und der Feldgestalt eine höhere Winkelauflösung liefern.
Dynamik mini|Zu- und Abschaltvorgang an einer realen Spule (RDraht = 10 Ω) mit „idealer“ Freilaufdiode; oben: Selbstinduktionsspannung, Mitte: Strom, unten: Speisespannung; die Zeitachse ist skaliert in auf die Zeitkonstante normierten Einheiten
Ein effektiver Betrieb von Schrittmotoren erfordert hohe Stromanstiegs- und -abfallgeschwindigkeiten; Spulen mit Eisenkern setzen dem jedoch ihre hohe Induktivität L entgegen (siehe Bild).
Um ein schnelles Anwachsen der Spulenströme nach dem Zuschalten der Wicklung zu erreichen, sind hohe Betriebsspannungen und geringe Windungszahlen (Induktivitäten) erforderlich.
Heutige Schaltungen (oft Integrierte Schaltungen) zum hochdynamischen Betrieb von bipolaren Schrittmotoren (s. u. Beschaltung) arbeiten im Chopperbetrieb; sie regeln wie ein Schaltregler während jedes Schrittes den Spulenstrom und können niederohmige Wicklungen (geringe Induktivität) an hohen Betriebsspannungen betreiben, sodass Stromanstieg und -abfall schnell sind.
Drehzahl und Drehmoment Das Drehmoment eines Schrittmotors ist proportional zum Strangstrom:
,
die Verlustleistung steigt jedoch mit dem Quadrat des Strangstromes:
Schrittmotoren sind daher nur kurzzeitig überlastbar, um das Drehmoment über den Nennwert zu steigern.
Der Drehmomentverlauf besitzt im Stand sein Maximum und sinkt bei hohen Drehzahlen ab. Charakteristisch ist eine Start-Stopp-Frequenz, unterhalb der der Motor bei einem bestimmten Strangstromwert oder einer bestimmten Spulenspannung den elektrischen Schritten auch dann zu folgen vermag, wenn ein Frequenzsprung von oder auf null vorliegt.
Um keinen Schrittverlust zu erleiden, muss die Schrittfrequenz zur Drehzahlerhöhung mindestens ab der Start-Stopp-Frequenz eine Rampe fahren (Hochlauf und Bremsen). Die maximale Drehzahl und das Drehmoment werden durch möglichst niederinduktive/niederohmige Wicklungen und eine möglichst hohe Betriebsspannung verbessert. Um die Ohmschen Verluste in den Wicklungen zu verringern, werden die Strangströme oft derart geregelt, dass sie im Stand oder bei gleichförmiger Bewegung abgesenkt werden.
Die meisten Schrittmotoren sind zweiphasig, es gibt jedoch auch drei- und mehrphasige Motoren. Mehr als zwei Phasen liefern ein gleichmäßigeres Drehmoment und neigen daher auch weniger zu sich aufbauenden Resonanzschwingungen des Läufers.
Beschaltung Schrittmotoren werden immer zusammen mit elektronischen Schaltern betrieben – mechanische Taster oder Schalter können lediglich zu Test- und Demonstrationszwecken verwendet werden.
Elektronische Schrittmotorcontroller erzeugen aus je einem digitalen Takt- und Richtungssignal die nötige Phasenabfolge (Sequenz), um ein Drehfeld zu erzeugen.
Schrittmotortreiber verstärken diese digitalen Signale und schalten die Betriebsspannung des Motors.
Die Leiterplatte mit der Leistungsbaugruppe befindet sich nahe beim Motor, um Störemissionen gering zu halten. Bei Stromsteuerung wird zusätzlich der Strangstrom gemessen und entsprechend dem Vorgabewert geregelt. Dieser kann bei Stillstand und Beschleunigung/Bremsen unterschiedlich sein.
Aufgrund des Schaltbetriebes sind die Verlustleistungen in der Elektronik derart gering, dass alle Funktionen einschließlich der Transistorschalter bis zu Leistungen von etwa 30 W in einem einzigen Surface-mounted device (SMD)-Schaltkreis ohne Kühlkörper untergebracht werden können. Beispielhaft genannt seien L298P, L6219DS, UC3717AQ, A4988, TMC2100 und TMC2208.