Schrittmotoren verstehen und anwenden!
Allgemeine Funktion von Schrittmotoren
Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor und er besteht aus einem feststehenden Stator und einem darin drehenden Rotor. Der Stator besteht aus mehreren Spulen, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind. Jede Spule entspricht einem sogenannten Polpaar. Die Anzahl der Pole pro Spule bestimmt die Schrittanzahl pro Umdrehung.
Ein Schrittmotor kann 2-Phasen, 4-Phasen, 5-Phasen oder mehr haben, je nachdem, wie die Spulen angeordnet sind. Jede Phase entspricht einem bestimmten Schritt und hat zwei Schaltzustände (A und B). Durch das Umschalten zwischen den Schaltzuständen können die Spulen ein magnetisches Feld erzeugen, das den Rotor in eine neue Position zieht.
Die Reihenfolge, in der die Spulen ein- und ausgeschaltet werden, wird als Schrittmuster bezeichnet. Die richtige Abfolge ist entscheidend, um den Motor präzise und effizient zu betreiben. Die gängigsten Schrittmuster sind “Vollschritt” und “Halbschritt”, bei denen entweder nur eine Spule oder zwei benachbarte Spulen gleichzeitig aktiviert werden.
Um den Schrittmotor zu betreiben, wird eine spezielle Schrittmotorsteuerung oder ein Treiber benötigt. Dieser Treiber liefert die notwendigen elektrischen Impulse, um die Spulen in der richtigen Reihenfolge zu aktivieren und so die gewünschten Schritte auszuführen.
Typen von Schrittmotoren
Im Vergleich zu einem typischen bürstenlosen Gleichstrommotor ist der Schrittmotor nicht besonders komplex oder schwierig in der Konstruktion. Allerdings erfordert er eine höhere Fertigungspräzision. Es gibt drei grundlegende Kategorien von Schrittmotoren, darunter Varianten wie den Scheibenmagnetmotor (bekannt für seine hohe Geschwindigkeit und Leistungsdichte) und Linearmotoren.
Reluktanz-Schrittmotoren
Bei einem Reluktanz-Schrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieser Motortyp wird nur noch selten verwendet. Wenn die Statorspulen mit Gleichstrom versorgt werden, wird der Rotorzahn durch das magnetische Feld angezogen. Dank der Sequenzschaltung dreht sich der Rotor in einem Winkel, der durch die Konstruktion des Motors bestimmt wird. Der Reluktanz-Motor kann kostengünstig hergestellt werden und hat eine hohe Drehzahl mit präzisem Schrittwinkel. Der Nachteil ist ein relativ geringes Drehmoment und da der Weicheisenkern selbst keine magnetischen Pole bildet, hat der Reluktanz-Motor kein Haltemoment.
Permanentmagnet-Schrittmotoren
Beim Permanent-Schrittmotor besteht der Rotor aus einem zylindrischen Permanentmagneten mit radialer Magnetisierung. Der Rotor ist so konstruiert, dass er eine gerade Anzahl von permanentmagnetischen Polen mit abwechselnder Nord- und Südpolarität hat.
Man kann daher nur eine begrenzte Anzahl von magnetischen Polen nebeneinander anordnen, was zu einem recht grossen Schrittwinkel führt.
Der Betrieb dieses Motors funktioniert nach dem Prinzip, dass sich ungleiche Pole anziehen und gleiche Pole abstossen. Wenn die Statorwicklungen mit einer Spannung erregt werden, entsteht ein magnetsicher Fluss, der die Nord- und Südpole festlegt. Aufgrund der Anziehung und der Abstossungskraft zwischen den magnetischen Rotorpolen und den Statorpolen beginnt der Rotor, sich zu bewegen. Wird jetzt die nächste Spule magnetisiert, dann wird der Rotor um weitere 90 Grad weiter bewegt. Mit diesem Ablauf kann der Motor in einer Drehbewegung gehalten werden.
Hybrid-Schrittmotoren
Der Hybrid-Schrittmotor vereint die Vorzüge beider Bauformen. Der Rotor besteht aus einem axialen Permanentmagneten, an dessen Enden gleichmässig verteile Zähne befestigt sind. Beide sind um eine halbe Zahnbreite gegeneinander versetzt, sodass sich Nord und Südpole abwechseln. Hybrid-Schrittmotoren sind heute am verbreitetsten und in den unterschiedlichsten Ausführungen zu bekommen.
Dieser Motor arbeitet ähnlich wie ein Permanentmagnet-Schrittmotor. Wenn die Statorwicklungen mit einer Spannung erregt werden, entsteht ein magnetischer Fluss, der die Nord- und Südpole festlegt. Dadurch richtet sich der Rotor so aus, dass der Südpol des Stators gegenübersteht. Durch eine geeignete Impulsfolge am Stator dreht sich der Motor in die gewünschte Richtung. Bei jeder Erregung wird der Rotor in der neuen Position verriegelt, und auch wenn die Erregung entfernt wird, behält der Motor seinen verriegelten Zustand aufgrund der Permanentmagnet-Erregung bei.
Bipolare und unipolare Schrittmotoren
Die oben beschriebenen Motoren können unipolar oder bipolar sein, basierend auf der Anordnung der Spulenwicklung. Allgemein kann man sagen, dass unipolare Schrittmotoren einfacher in der Ansteuerung sind, während bipolare Schrittmotoren in der Regel eine höhere Leistung und Effizienz bieten. Die Wahl zwischen unipolaren und bipolaren Schrittmotoren hängt von den spezifischen Anforderungen eurer Anwendung ab, wie z. B. Drehmomentanforderungen, Geschwindigkeit, Komplexität der Steuerung und den Kosten.
Bipolare Schrittmotoren
Ein bipolarer Schrittmotor ist ein Typ von Schrittmotor, der über zwei separate Spulen pro Phasengruppe verfügt. Diese Art von Motor wird auch als “stromgesteuerter Schrittmotor” bezeichnet. Die Steuerung eines bipolaren Schrittmotors erfolgt durch das Umschalten des Stroms in jeder Spule in beiden Richtungen. Die beiden Spulen werden unabhängig voneinander angesteuert, um das magnetische Feld zu erzeugen, das den Rotor des Motors bewegt und ihn in Schritten rotieren lässt.
Der Begriff «bipolar» leitet sich von der Tatsache ab, dass der Strom in den Spulen in beide Richtungen fliessen kann (positiv und negativ). Um die Drehrichtung des Motors zu ändern, wird der Strom in den Spulen umgepolt, was zu einem invertierten magnetischen Feld führt und somit die Bewegungsrichtung des Rotors ändert.
Bipolare Schrittmotoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, bei denen höhere Leistungsanforderungen und eine präzise Positionierung und Bewegungskontrolle sind. Beispiele hierfür sind CNC-Maschinen, 3D-Drucker, Robotik und industrielle Automatisierung.
Unipolare Schrittmotoren
Ein unipolarer Schrittmotor ist ein Typ von Schrittmotor, der über Spulen verfügt, die über einen gemeinsamen Mittelabgriff (Common Center Tap) miteinander verbunden sind. Diese Art von Motor wird auch als “reluktanzgesteuerter Schrittmotor” bezeichnet. Jede Spule im Motor hat zwei Anschlüsse, die mit einem Mittelpunkt verbunden sind. Der unipolare Schrittmotor wird durch Aktivierung der einzelnen Spulen nacheinander angesteuert, um Schritte auszuführen.
Die Steuerung eines unipolaren Schrittmotors erfolgt durch das Umschalten des Stroms in jeder Spule in eine bestimmte Richtung. Dies erzeugt ein magnetisches Feld, das den Rotor des Motors bewegt und ihn in Schritten rotieren lässt.
Der Begriff «unipolar» leitet sich von der Tatsache ab, dass der Strom in den Spulen in einer einzigen Richtung fliesst (positiv oder negativ). Der Strom wird normalerweise durch Transistoren oder Schalter gesteuert, die den Stromfluss in den Spulen aktivieren oder deaktivieren.
Unipolare Schrittmotoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, insbesondere wenn einfache Steuerung und Kostenersparnis wichtig sind. Beispiele hierfür sind einfache Positionierungsanwendungen, Steuerungen für Schrittmotoren in kleinen Spielzeugen oder günstigen Consumer-Elektronikprodukten.
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