Step by Step: Der Schrittmotor

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31.07.2015 von plaintron

Step by Step: Wie funktioniert ein Schrittmotor?

Plötzlich und unerwartet ist ein halbes Jahr vergangen, ohne dass es hier neue Beiträge gab. Wenn andere Baustellen rufen, bleibt ein Blog leider schnell mal legen.

In einem früheren Beitrag habe ich über Schrittmotortreiber geschrieben und warum ich mit diesen Bauteilen so gerne arbeite. Nun möchte ich etwas mehr in die Grundlagen schauen: Warum braucht man diese Treiber? Was ist überhaupt die Besonderheit eines Schrittmotors? Was kann ich damit anstellen?

370px-AnkerdeEinfache DC-Motoren (Asynchron-Motoren) bestehen aus einem Stator, einem Rotor und einem Kommutator. Der Stator ist meistens das äußere Teil, also ein Gehäuse mit Permamentmagneten. Der Rotor besteht im Prinzip aus mehreren Elektromagneten, die abwechselnd von Strom durchflossen werden und so mit den äußeren Permamentmagneten über das Magnetfeld interagieren, um die Drehung auszulösen. Der Kommutator sorgt dafür, dass die einzelnen Magnetspulen abwechselnd mit Strom versorgt werden. Bei Motoren mit nur einer einzelnen Spule wird jeweils die Stromrichtung umgepolt.

Bürstenlose Motoren („Brushless“) haben keinen Kommutator, deshalb muss das Drehfeld außerhalb des Motors elektronisch erzeugt werden (Synchron-Motor). Die Spulen werden dann einzeln angesteuert, wobei die Frequenz der angelegten Wechselspannung (gewöhnlich 3 Phasen) die Drehzahl bestimmt.

Der Schrittmotor ist im Prinzip ein Synchron-Motor, muss also mit einem bestimmten Signal von außen angesteuert werden. Einige Bastler haben vielleicht schon mal einen kleinen Schrittmotor aus einem CD-Laufwerk, einem Drucker oder Scanner ausgebaut und festgestellt, dass sich nichts dreht, wenn man eine Spannung anlegt. Höchstens ein kleiner Ruck ist zu beobachten, wenn eine der Spulen ein Magnetfeld aufbaut.

Betrachten wir zunächst einen sehr einfach aufgebauten Schrittmotor: Die vier Spulen liegen außen im Gehäuse, der Rotor ist mit einem Permamentmagneten bestückt. Jede Spule kann einzeln angesteuert werden. Nehmen wir an, die Wicklung auf 6-Uhr-Position, wie in der Grafik gezeigt, ist gerade eingeschaltet. Wird nun die 9-Uhr-Wicklung unter Strom gesetzt und gleichzeitig die vorherige Verbindung geöffnet, dreht sich der Rotor um genau 90 Grad nach rechts. Wird dieser Vorgang nun Schritt für Schritt im Uhrzeigersinn wiederholt, erhalten wir eine ständige Rechtsdrehung.

Ein großer Vorteil bei dieser Vorgehensweise ist nun, dass wir nicht nur eine Drehung des Motors erreichen, sondern zu jedem Zeitpunkt auch die volle Kontrolle darüber haben, in welcher Position sich der Anker gerade befindet. Treibt dieser Motor etwa den Sensorschlitten eines Scanners an, wissen wir genau, auf welcher Höhe des Papiers gerade ein Linienbild aufgenommen wird, weil die Anzahl der Impulse mitgezählt wird. In Verbindung mit einer Mikrocontrollerschaltung erhalten wir also ein zusammengesetztes Bild aus vielen einzelnen Linien, das schrittweise in einen Speicher eingelesen werden kann.

StepmotschemeDurch eine feinere Aufteilung des Rotors in mehrere einzelne Magnete lässt sich der Schrittwinkel des Motors verkleinern. Schrittmotoren für CNC-Anwendungen arbeiten gewöhnlich mit 200 Schritten pro Umdrehung, wobei durch Zwischenschritte mit zwei gleichzeitig aktivierten Wicklungen 400 Einzelschritte erreicht werden. Die Auflösung lässt sich weiter erhöhen, indem ungleiche Ströme durch zwei Wicklungen geschickt werden (Microstepping).

So weit zur grundlegenden Funktionsweise eines Schrittmotors. Zu den Feinheiten der Schrittmotortechnik und der Ansteuerungs-Varianten schreibe ich morgen mehr.

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2 Kommentare zu “Step by Step: Der Schrittmotor

  1. […] habe ich eine kurze Einführung zum Thema Schrittmotoren geschrieben. Eine genauere Betrachtung soll zeigen, was zu welchem Zeitpunkt in den Wicklungen […]

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