Schrittmotor

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

Schema eines Schrittmotors mit vier Schritten für eine Umdrehung (und unipolarer Beschaltung)

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.^[1]
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

Zweiphasiger Hybridschrittmotor mit vier Wicklungen (Schnittdarstellung)

Reluktanz-Schrittmotor

Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisen kern. 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 $\varphi _{0}$ 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

n={\frac {360^{\circ }}{\varphi _{0}}}

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 $\varphi _{st}$ ergibt sich aus:

\varphi _{st}=\varphi _{0}/st

mit

dem Vollschrittwinkel $\varphi _{0}$
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

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:

M\propto I

,

die Verlustleistung steigt jedoch mit dem Quadrat des Strangstromes:

P_{v}=R\cdot I^{2}

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 Resonanz schwingungen 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 Leistungs baugruppe 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.

Schrittmotoren mit abweichender Phasenzahl oder Spulenanschlussgestaltung können nicht an einer gegebenen Ansteuerschaltung betrieben werden. Ausnahme sind Schrittmotoren mit getrennten Mittelanzapfungen, diese können an (heute üblichen) Vollbrücken-Treibern für Einzelspulen betrieben werden; ggf. ist der Maximalstromfluss neu einzustellen (Messwiderstand).

Bipolar betriebene Motoren

Um ein schnelleres Absinken des Stromes nach dem Abschalten zu erreichen, ist der bipolare Betrieb geeignet – bei diesem werden die Spulen(paare) mit einer H-Brücke in beiden Stromrichtungen abwechselnd betrieben –, und die in der Induktivität gespeicherte Energie kann über Freilaufdioden, die gegen die Betriebsspannung arbeiten, dorthin zurückgeführt werden (siehe auch Spule (Elektrotechnik) #Zu- und Abschaltvorgänge bei Gleichspannung).

Mit einer Choppersteuerung betriebene bipolare Motoren sind niederohmig; der Strom wird mit einem Hysterese-Schaltregler für jeden Teilschritt geregelt, indem der Spulenstrom sehr schnell an- und abgeschaltet wird (Chopperfrequenz mehrere 10 kHz). Die Spuleninduktivität bewirkt einen mit dieser Frequenz an- und abschwellenden Stromverlauf – sie senkt die für hohe Drehzahlen erforderliche Stromänderungsgeschwindigkeit und muss daher für hohe Dynamik gering sein.
Aus dem gleichen Grund ist die Betriebsspannung solcher hochdynamischer Antriebe wesentlich höher als die Nennspannung der Spulen – in diesen zirkuliert ein Strom, der wesentlich höher ist als die Gesamtstromaufnahme der Treiberschaltung.

Unipolar betriebene Motoren

Unipolar betreibbare Motoren besitzen einen Mittelabgriff der Spulenpaare und können mit einseitig schaltenden Transistoren betrieben werden. Sie besitzen wegen der notwendig langsameren Entmagnetisierung schlechtere dynamische Eigenschaften, sind weniger effektiv und daher inzwischen auch weniger gebräuchlich.

Bei früher üblichen unipolaren Motoren wurde oft auf eine Stromregelung verzichtet – solche Motoren besitzen daher oft höherohmige Wicklungen.

Genauigkeit

Aufgrund der hohen Polpaarzahl bewegt sich der Rotor eines Schrittmotors mit jedem von außen vorgegebenen Schritt nur mit einem geringen Winkelversatz vorwärts. Typisch sind:

24 Schritte pro Umdrehung mit einem Vollschrittwinkel von 15° bis
200 Schritte pro Umdrehung mit einem Vollschrittwinkel von 1,8°.

Eine Polpaarzahl von 50 ergibt bei einem zweiphasigen Motor im Vollschrittbetrieb (stets beide Wicklungen unter Strom) 200 Schritte pro Umdrehung.

Die maximalen Auflösungen sind gegeben:

im Vollschrittbetrieb (abwechselnd eine Wicklung führt Strom) durch den vollen Schrittwinkel
im Halbschrittbetrieb (abwechselnd zwei Wicklungen führen Strom) durch den halben Schrittwinkel.

Typisch sind ein Ripple des Drehmomentes und ein Einschwingen in die Schrittposition (gedämpfte Schwingung des Systems Rotorträgheit und Magnetkraft).

Durch Mikroschrittbetrieb ist ein ruhigerer Lauf und ein Auflösungsvermögen von unter 0,1 Grad erreichbar. Die Schrittgenauigkeit liegt meist im Bereich von einigen Prozent.

Treibt man den Mikroschrittbetrieb zu einer noch feineren, quasi-analogen Auflösung und kombiniert sie mit einem Weg- oder Winkelmesssystem zur Positionsrückführung, so erhält man einen hochpoligen Synchron-Servomotor und damit den stufenlosen Übergang zur niederpoligen Drehstrom-Servotechnik. Der Schrittmotor wird quasi mit Sinusströmen betrieben, profitiert dennoch von seiner preisgünstigen Bauweise und ermöglicht spielfreie, ripplearme Direktantriebe mit sehr hoher Positionierauflösung.

Anwendungsgebiete

Typische Anwendungsgebiete sind Stellantriebe kleiner Leistung. Dazu gehören z. B. Drucker, Matrixdrucker oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk.

Sie werden auch in Werkzeugmaschinen zur Positionierung der Werkzeuge verwendet, z. B. in 3D-Druckern.

Durch die ständig sinkenden Kosten für die Ansteuerelektronik werden Schrittmotoren auch zunehmend für Konsumgüter verwendet. In Kraftfahrzeugen sind bis über 50 Schrittmotoren im Einsatz, die Betätigung der vielen Klappen einer automatischen Heizungs- und Klimaanlage ist dafür ein Beispiel.

Der nebenstehend abgebildete Doppel-Schrittmotor ist für den Einsatz in einem Kombiinstrument gedacht und kann zwei Zeiger auf einer Welle bedienen, wie Stunden- und Minutenzeiger auf einer Uhr. Der teilweise demontierte linke Motor wirkt auf die Hohlwelle aus Kunststoff, der rechte auf die Stahlwelle.

Normung

Der US-amerikanische Branchenverband National Electrical Manufacturers Association (NEMA) hat eine Reihe von Schrittmotoren genormt. Sie alle arbeiten mit 200 Schritten pro Umdrehung. Sie sind in dem für „Motoren und Generatoren“ reservierten Nummernbereich NEMA1-2011 durchnummeriert. Die Datenblätter können (wie z. B. bei DIN) kostenpflichtig beim Verband angefordert werden.

Die NEMA verwendet als amerikanische Institution traditionell das „englische“ Maßsystem „Zoll“, während in der westlichen Welt fast nur noch das metrische System verwendet wird. Beim Umrechnen von Zoll auf Millimeter (1" = 25,4 mm) entstehen Rundungsungenauigkeiten und -fehler. Daher können in manchen Maßblättern die Lochkreise leicht abweichen. Die Abweichungen liegen jedoch meist in einem so kleinen Bereich, dass sie durch die Allgemeintoleranzen abgedeckt sind.

Bekannte Normen sind z. B. (Nr., Flanschmaß, typisches Haltemoment):

NEMA 08, 20 mm × 20 mm, 0,036 Nm
NEMA 11, 28 mm × 28 mm, 0,1 Nm
NEMA 14, 35 mm × 35 mm, 0,3 Nm
NEMA 17, 42 mm × 42 mm, 0,5 Nm
NEMA 23, 56 mm × 56 mm, 0,75 – 3,0 Nm
NEMA 34, 86 mm × 86 mm, 3,0 – 8,0 Nm

Das Haltemoment (hier im Beispiel bei NEMA 23 ca. 2 Nm, entspricht 270 Oz-In) wird häufig ebenfalls im imperialen Maßsystem angegeben.

Siehe auch

Bürstenloser Gleichstrommotor (Brushless DC-Motor)

Literatur

Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9.
Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 1990, ISBN 3-8085-5002-3.
Gerd Fehmel, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen. 12. Auflage. Vogel Buchverlag, Oldenburg/Würzburg 2000, ISBN 3-8023-1795-5.
D. W. Jones: Control of Stepper Motors. (online)
D. Austin: Generate stepper-motor speed profiles in real time. In: EE Times-India. Januar 2005. (Digitalisat)

Weblinks

Commons: Schrittmotor – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

↑ Michael Randt: coolstep - Schrittmotoren energieeffizient betreiben

[1] Michael Randt: coolstep - Schrittmotoren energieeffizient betreiben

[1]