Ratgeber
Ob Flachbettscanner, 3D-Drucker oder CNC-Maschinen – ohne Schrittmotoren und speziell an die Anwendung angepasste Schrittmotor-Treiber würden diese Geräte nicht funktionieren. Lesen Sie hier, wir Schrittmotoren funktionieren und welche wichtige Rolle dabei die Treiber spielen.
Ein Schrittmotor ist zunächst ein bürstenloser Gleichstrom-Synchronmotor. Im Gegensatz zu Standard-Elektromotoren läuft er aber nicht so lange, bis die ihm zugeführte Gleichspannung abgeschaltet wird. Er arbeitet vielmehr wie ein digitales Ein-/Ausgabegerät für präzises Starten und Stoppen.
Schrittmotoren sind so konstruiert, dass der Strom im Stator auf eine Reihe von konzentrisch angeordneten Spulen trifft, die sich in schneller Folge ein- und ausschalten lassen. Auf diese Weise kann der Rotor jeweils einen Bruchteil einer Umdrehung durchlaufen. Diese einzelnen vorbestimmten Phasen werden als Schritte bezeichnet.
Schrittmotoren sind in der Regel digital gesteuert und fungieren als Schlüsselkomponenten in einem Positionierungssystem mit Regelkreis für die Bewegungssteuerung. Mit ihnen lassen sich über entsprechende Mechaniken alle räumlichen Koordinaten anfahren. Dazu sind nur drei Motoren jeweils für die X-, Y- und Z-Achse notwendig.
Ein typisches Beispiel ist die elektrische Steuerung der Außenspiegel an einem Auto. Hier genügen zwei Motoren für die schrittweise Links-/Rechts- und Auf-/Ab-Einstellung. Zweidimensional gesteuert arbeiten auch Flachbettscanner und Tintenstrahldrucker. Mit einem dritten Schrittmotor für die Hochachse sind dagegen 3D-Drucker oder CNC-Steuerungen ausgestattet.
In Roboter-Armen finden sich ebenfalls Schrittmotoren, wenngleich hier oft auch Servo-Motoren zum Einsatz kommen. Der Hauptunterschied zwischen diesen Motoren liegt in der Schrittzahl. Schrittmotoren verfügen über eine hohe Auflösung, normalerweise zwischen 50 und 200 Schritten. Servo-Motoren kommen oft mit deutlich weniger als 50 Schritten aus. Dieser Unterschied in der Schrittzahl bedeutet, dass sich Schrittmotoren in einem geschlossenen Regelkreis – einer Closed-Loop – inkrementell mit einem gleichmäßigen Impuls verhalten.
Schrittmotoren haben jedoch ihre Grenzen. Bei hohen Geschwindigkeiten verlieren sie fast ihr gesamtes Drehmoment, manchmal bis zu 80 Prozent. Sie erzeugen oft Vibrationen und sind anfällig für Resonanzprobleme. Schrittmotoren erzeugen zudem Wärme, was bei bestimmten Anwendungen ein Problem darstellen kann.
Der Schrittmotor ist ein Elektromotor, der durch digitale Impulse und nicht durch eine kontinuierlich angelegte Spannung angetrieben wird. Das unterscheidet ihn prinzipiell von einem normalen DC-Motor.
Seinem Konzept liegt eine offene Regelung zugrunde, bei der eine Folge von Impulsen in eine bestimmte Anzahl von Wellenumdrehungen umgesetzt wird, wobei jede Umdrehung eine bestimmte Anzahl von Impulsen erfordert.
Jeder Impuls entspricht einem Dreh-Inkrement oder Schritt, der nur einen Teil einer vollständigen Umdrehung ausmacht. Um eine gewünschte Wellendrehung zu erreichen, lässt sich der Schrittmotor daher mit Zählimpulsen betreiben. Die Zählung zeigt automatisch an, wie viel Bewegung erreicht wurde, ohne dass eine Rückmeldung erforderlich ist, wie dies bei Servo-Systemen und anderen Technologien der Fall ist.
Es gibt drei Grundtypen von Schrittmotoren: Motoren mit variablem magnetischen Widerstand, der sogenannten Reluktanz, Motoren mit einem Permanentmagneten sowie den Hybridmotor.
Der Schrittmotor mit variabler Reluktanz basiert auf einem Weicheisen-Mehrfachrotor und einen gewickelten Stator. Er arbeitet im Allgemeinen in Schrittwinkeln von 5 bis 15 Grad bei relativ hohen Schrittraten. Außerdem besitzen er kein Rastmoment.
Der Permanentmagnet-Schrittmotor unterscheidet sich vom Schrittmotor mit variabler Reluktanz dadurch, dass er über zahnlose Permanentmagnet-Rotoren verfügt. Diese Rotoren sind senkrecht zur Achse magnetisiert. Werden die vier Phasen nacheinander erregt, dreht sich der Rotor, da er von den Magnetpolen angezogen wird. Dieser Typ besitzt in der Regel einen Schrittwinkel von 45 bis 90 Grad und neigt zu relativ geringen Schrittgeschwindigkeiten, erzeugt aber ein hohes Drehmoment und verfügt über sehr gute Dämpfungseigenschaften.
Der Hybrid-Schrittmotor kombiniert die wünschenswerten Eigenschaften von Permanentmagnet- und Reluktanz-Schrittmotoren. Er wird daher am häufigsten eingesetzt. Dieser Schrittmotortyp bietet ein hohes Rastmoment, ein ausgezeichnetes Halte- und dynamisches Drehmoment und kann mit hohen Schrittgeschwindigkeiten arbeiten. Außerdem ermöglicht er Schrittwinkel von 0,9 bis 5,0 Grad.
Für die Auswahl des passenden Schrittmotor-Treibers sind drei Eigenschaften wichtig: die Anordnung der Motorwicklung, die Antriebsschaltung und der Schrittmodus. Die Art des Treibers hat einen großen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems, insbesondere auf das Drehmoment, die Ausgangsleistung und die Geschwindigkeit.
