So funktioniert ein Schrittmotor

Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser Elektromotor, der eine volle Umdrehung in eine Reihe gleicher, diskreter Schritte unterteilt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gleichstrommotoren, die sich frei drehen, wenn sie mit Strom versorgt werden, bewegen sich Schrittmotoren in präzisen Winkelabstufungen, sodass die Ingenieure Position, Geschwindigkeit und Richtung direkt steuern können, ohne dass Feedback-Sensoren erforderlich sind. Dies macht sie zu einem der am häufigsten verwendeten Motortypen in der modernen Feinmechanik, von CNC-Maschinen und 3D-Druckern bis hin zu Roboterarmen und automatisierten Laborgeräten.

In diesem Artikel wird die Anatomie eines Schrittmotors beschrieben, erklärt, wie jede Komponente zu seinem Betrieb beiträgt, und es werden die Schrittmethoden behandelt, mit denen Ingenieure die Bewegung genau kontrollieren können.

Inhalt

• NEMA-Größenstandards
• Der Stator: Erzeugung des Magnetfeldes
• Der Rotor: Umwandlung von Magnetkraft in Bewegung
• Kugellager: Stütze der Welle
• Der Schrittmotortreiber
• Schrittweise Methoden
• Unipolare vs. bipolare Konfigurationen
• Auswahl des richtigen Schrittmotors
• Einpacken
• Häufig gestellte Fragen

NEMA-Größenstandards

Bevor Sie sich mit der inneren Funktionsweise eines Schrittmotors befassen, ist es hilfreich zu verstehen, wie diese klassifiziert werden. Bei den NEMA-Größen handelt es sich um standardisierte Gehäuseabmessungen, die von der US-amerikanischen National Electrical Manufacturers Association festgelegt wurden. Die NEMA-Nummer steht für die Breite der Motorblende in Zoll, multipliziert mit zehn. Ein NEMA 14-Motor hat eine 1,4-Zoll-Frontplatte, ein NEMA 17 misst 1,7 Zoll und ein NEMA 23 ist 2,3 Zoll groß.

Durch die NEMA-Größe ist die Montageschnittstelle standardisiert, sodass die Lochmuster und Abmessungen der Frontplatte innerhalb jeder Klassifizierung einheitlich bleiben. Die Gehäuselänge variiert jedoch bei Motoren derselben NEMA-Größe erheblich. In einem längeren Gehäuse befinden sich in der Regel größere Spulen und ein größerer Rotor, was sich in einem höheren Drehmoment niederschlägt. Bei der Auswahl eines Schrittmotors ist es die erste praktische Entscheidung, die NEMA-Größe an Ihre Befestigungsbeschränkungen und die Gehäuselänge an Ihre Drehmomentanforderungen anzupassen.

Der Stator: Erzeugung des Magnetfeldes

Der Stator ist der stationäre äußere Teil des internen Mechanismus des Motors. Er beherbergt mehrere elektromagnetische Phasen, die jeweils aus mehreren Magnetwicklungen bestehen, die an der Innenseite des Motorgehäuses angeordnet sind.

Wicklungen

Eine Wicklung (oder Spule) ist der grundlegende elektromagnetische Baustein jedes Schrittmotors. Jede Spule besteht aus zwei Teilen: einem eng gewickelten, leitfähigen Draht und einem Magnetkern. Wenn Strom durch den Draht fließt, erzeugt er ein Magnetfeld um den Kern herum. Dieses Feld zieht die Zähne des Rotors in die richtige Richtung — die grundlegende Bewegung, die Bewegung erzeugt.

Phasen

Eine Phase ist eine Gruppe mehrerer Wicklungen, die in Reihe geschaltet sind, sodass sie gleichzeitig magnetisieren. Die meisten Schrittmotoren sind entweder zweiphasig oder vierphasig ausgeführt. Die Anzahl der Phasen bestimmt die Anzahl der unterschiedlichen elektromagnetischen Zustände, die der Motor durchläuft, was sich wiederum auf die Schrittauflösung und die Drehmomentcharakteristik auswirkt. Zweiphasenmotoren (die gängigste Konfiguration) bieten für die meisten Anwendungen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Einfachheit, Kosten und Leistung.

Der Rotor: Magnetkraft in Bewegung umwandeln

Der Rotor befindet sich in der Mitte des Motors und ist die Komponente, die sich tatsächlich dreht. Bei einem Hybrid-Schrittmotor, dem gängigsten Typ für Präzisionsanwendungen, ist der Rotor eine permanent magnetisierte zylindrische Säule, die mit einer großen Anzahl gleichmäßig verteilter Zähne ausgekleidet ist.

Diese Zähne sind in mehreren versetzten Ringen angeordnet, die als Lamellen bezeichnet werden. Die leichte Fehlausrichtung zwischen den Lamellerringen ist ein entscheidendes Konstruktionsmerkmal: Sie sorgt dafür, dass der Rotor reibungslos von einer Stufe zur nächsten übergeht. Ohne diesen Versatz würde der Motor blockieren oder heftig zwischen den Positionen hin- und herspringen, anstatt sich kontrolliert zu drehen.

Das Zusammenspiel zwischen Stator und Rotor ist einfach. Der Treiber versorgt eine Phase mit Energie, die Statorspulen erzeugen ein Magnetfeld und die Rotorzähne richten sich nach diesem Feld aus. Wenn die nächste Phase mit Energie versorgt wird, bewegt sich der Rotor um einen Schritt weiter. Wiederholen Sie dies tausende Male pro Sekunde und Sie erhalten eine kontinuierliche, präzise gesteuerte Rotation.

Kugellager: Abstützung der Welle

Drehlager zentralisieren die Motorwelle und reduzieren die Reibung während der Rotation. Die Verbesserung der Rotationseffizienz verlängert sowohl die Lebensdauer als auch die Energieeffizienz des Motors. Da es sich bei Schrittmotoren um bürstenlose Baugruppen mit sehr wenigen internen Reibungsquellen handelt, sind die Lager in der Regel die erste (und oft die einzige) Komponente, die sich bei längerem Betrieb abnutzt. Der Austausch verschlissener Lager ist eine der häufigsten Wartungsarbeiten an Schrittmotorbaugruppen.

Der Schrittmotortreiber

Ein Schrittmotor kann nicht direkt über eine Stromversorgung betrieben werden. Es ist ein Treiber erforderlich, bei dem es sich um eine elektronische Schaltung handelt, die sowohl als Steuerungssystem als auch als Stromverstärker fungiert.

Der Treiber leitet den Strom in schnellen, exakt getakteten Sequenzen an jede Motorphase weiter, möglicherweise tausende Male pro Sekunde. Indem er steuert, welche Phasen in welcher Reihenfolge mit Strom versorgt werden, bestimmt der Treiber die Geschwindigkeit, Richtung und Schrittauflösung des Motors. Die Komplexität eines Antriebs kann von einem einfachen Breakout-Board für Bastlerprojekte bis hin zu einer ausgeklügelten Steuerung mit geschlossenem Regelkreis für die industrielle Automatisierung reichen.

Schrittmethoden

Die Methode, mit der ein Treiber die Phasen des Motors mit Energie versorgt, bestimmt die Schrittauflösung und die Laufruhe. Drei Methoden werden häufig verwendet.

Vollständiges Steppen

Im Vollschrittmodus aktiviert der Treiber jeweils eine Phase (Wellenantrieb) oder zwei Phasen gleichzeitig (Vollschrittantrieb). Jeder Impuls bewegt den Rotor um einen vollständigen Schritt, typischerweise um 1,8° bei einem Standardmotor mit 200 Schritten, wodurch 200 diskrete Positionen pro Umdrehung erreicht werden. Der Vollschritt liefert das maximale Drehmoment pro Schritt, erzeugt aber die meisten Vibrationen.

Halber Schritt

Beim Halbschritt wird abwechselnd eine einzelne Phase mit Energie versorgt und zwei benachbarte Phasen gleichzeitig mit Energie versorgt. Wenn zwei Phasen aktiv sind, pendelt sich der Rotor in einer Position ein, die sich auf halber Strecke zwischen den beiden Vollschrittstellungen befindet. Dadurch verdoppelt sich die Anzahl der Schritte pro Umdrehung auf 400, wodurch sich der Schrittwinkel auf 0,9° halbiert. Der Kompromiss besteht in einer leichten Reduzierung des Drehmoments während der einphasigen Abschnitte des Zyklus, aber die Verbesserung der Positionsauflösung und der Laufruhe ist erheblich.

Mikroschrittverfahren

Microstepping geht noch einen Schritt weiter, indem das Stromverhältnis zwischen zwei aktiven Phasen variiert wird, anstatt sie einfach ein- und auszuschalten. Indem an einer Phase proportional mehr Strom anliegt als an der anderen, kann der Fahrer den Rotor an Zwischenpunkten zwischen den einzelnen Schritten positionieren. Zu den üblichen Mikroschrittauflösungen gehören 1/4, 1/8, 1/16 und 1/32 eines Vollschritts, wobei einige High-End-Treiber 1/256-Mikroschrittverfahren unterstützen. Dies sorgt für eine weitaus gleichmäßigere Bewegung und einen leiseren Betrieb, weshalb Mikroschrittbetrieb in den meisten CNC- und 3D-Druckanwendungen der Standardmodus ist.

Unipolare vs. bipolare Konfigurationen

Schrittmotoren lassen sich in zwei elektrische Konfigurationen mit jeweils unterschiedlichen Verkabelungs- und Leistungsmerkmalen unterteilen.

• Unipolarmotoren verwenden an jeder Phase eine mittig angezapfte Wicklung, wodurch jede Spule effektiv in zwei Teile aufgeteilt wird. Der Strom fließt immer nur in eine Richtung durch jede Halbspule, was die Treiberschaltung vereinfacht. Der Nachteil ist, dass immer nur die Hälfte der Wicklung aktiv ist, wodurch das verfügbare Drehmoment reduziert wird.
• Bipolarmotoren verwenden die volle Wicklung auf jeder Phase und die umgekehrte Stromrichtung, um die magnetische Polarität zu ändern. Dies erfordert einen komplexeren Treiber (eine H-Brückenschaltung), liefert aber bei gleicher Motorbaugröße ein deutlich höheres Drehmoment. Für die meisten Präzisionsanwendungen sind bipolare Konfigurationen die bevorzugte Wahl. Der technische Artikel von Accu über unipolare und bipolare Schrittmotoren behandelt diesen Vergleich ausführlich.

Auswahl des richtigen Schrittmotors

Bei der Auswahl eines Schrittmotors für eine bestimmte Anwendung müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden: das bei Betriebsdrehzahl erforderliche Drehmoment, der verfügbare Einbauraum (NEMA-Größe), die erforderliche Positionsgenauigkeit und die elektrische Kompatibilität mit Ihrem Treiber. Höhere NEMA-Größen bieten Platz für größere Statoren und Rotoren, was die Drehmomentkapazität erhöht, aber auch das Gewicht und den Stromverbrauch erhöht. Accu liefert Schrittmotoren der NEMA 17- und NEMA 23-Klassifizierungen in unipolaren und bipolaren Konfigurationen sowie kompatible Schrittmotortreiber mit Nennwerten von 0,3 A bis 2,0 A.

Zusammenfassung

Schrittmotoren verdienen ihren Platz in der Präzisionstechnik, weil sie eine offene Positionssteuerung und eine präzise, wiederholbare Bewegung ohne die Kosten und Komplexität der Encoder-Rückmeldung bieten. Zu verstehen, wie Stator, Rotor, Lager und Antrieb zusammenarbeiten, um diskrete, steuerbare Schritte zu erzeugen, ist die Grundlage für die Spezifizierung des richtigen Motors für jedes Projekt. Das von Ihnen gewählte Schrittverfahren und die gewählte elektrische Konfiguration stimmen diese Auswahl dann genau auf Ihre Anforderungen in Bezug auf Auflösung, Drehmoment und Laufruhe ab.

Weiterführende Lektüre

• Unipolare Schrittmotoren im Vergleich zu bipolaren Schrittmotoren — ein detaillierter Vergleich der beiden Wicklungskonfigurationen
• Berechnung von Spannung, Strom und Widerstand — grundlegende elektrische Theorie für die Motorauswahl
• Schrittmotortreiber (0,3 A—2,0 A) — Die kompatiblen Treiberplatinen von Accu

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der Unterschied zwischen einem Schrittmotor und einem Servomotor?

A: Ein Schrittmotor bewegt sich in festen Winkelabstufungen und ist auf einen offenen Regelkreis angewiesen, was bedeutet, dass der Fahrer Schrittimpulse sendet und darauf vertraut, dass der Motor folgt. Ein Servomotor verwendet einen geschlossenen Regelkreis mit einem Feedback-Sensor (in der Regel ein Encoder), um seine Position kontinuierlich zu korrigieren. Servos eignen sich hervorragend für Anwendungen mit hohen Drehzahlen und hohem Drehmoment, bei denen dynamische Laständerungen üblich sind. Schrittmotoren eignen sich besser für Anwendungen, die eine präzise Positionierung bei moderaten Drehzahlen erfordern, ohne dass zusätzliche Kosten für Feedback-Hardware anfallen.

F: Wie viele Schritte hat ein Schrittmotor pro Umdrehung?

Die gängigste Konfiguration ist 200 Schritte pro Umdrehung, was einem Schrittwinkel von 1,8° entspricht. Einige Motoren bieten 400 Schritte pro Umdrehung (0,9° Schrittwinkel). Beim Mikroschrittbetrieb lassen sich diese weiter unterteilen. Beispielsweise liefert ein Motor mit 200 Schritten, der mit 1/16 Mikroschritt läuft, effektiv 3.200 Stellungen pro Umdrehung.

A: Kann ein Schrittmotor wie ein Gleichstrommotor kontinuierlich laufen?

Ja. Obwohl Schrittmotoren oft mit präzisen Positionieraufgaben verbunden sind, können sie kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit laufen. Der Treiber sendet einfach weiter Schrittimpulse mit einer festen Rate. Schrittmotoren verlieren jedoch bei höheren Drehzahlen an Drehmoment und erzeugen im Dauerbetrieb mehr Wärme als im intermittierenden Betrieb. Daher sollten das Wärmemanagement und die Drehmomentkurven während des Spezifikationsprozesses überprüft werden.

F: Warum vibriert mein Schrittmotor oder macht Geräusche?

A: Die Vibration in Schrittmotoren wird durch die diskrete Natur jedes Schritts verursacht. Der Rotor springt von einer Position zur nächsten und bei bestimmten Geschwindigkeiten können diese Impulse mit der mechanischen Struktur in Resonanz treten. Das Umschalten vom Vollschritt- in den Halbschritt- oder Mikroschrittmodus reduziert die Vibration erheblich. Wenn Sie sicherstellen, dass der Motor sicher montiert und ordnungsgemäß belastet ist, wird auch die Resonanz gedämpft.