Schrittmotor-Grundlagen

Schrittmotoren funktionieren im Grunde dadurch, dass Spulen in einer sorgfältig kontrollierten Abfolge unter Strom gesetzt werden, um präzise Bewegungen zu erzeugen. Die Frage, wie ein Schrittmotor grundsätzlich funktioniert, kann allerdings schwer zu begreifen sein. Wir tauchen tief in die Thematik ein und erklären die Funktion eines vereinfachten Schrittmotors. Danach bauen wir einen bipolaren Schrittmotor gemäß der Norm NEMA17 auseinander und veranschaulichen diese Konzepte in der Praxis.

Wie funktioniert ein Schrittmotor? Vereinfachte Motorabbildung

Bei einem vereinfachten bipolaren Schrittmotor wird jede der beiden Elektromagnetgruppen durch eine H-Brücke gesteuert. Dies ermöglicht die Umpolung im Betrieb, um die Permanentmagnetpole des Rotors entweder abzustoßen oder anzuziehen, wie nachfolgend gezeigt:

Eine andere Bauweise ist der variable Reluktanzmotor, dessen nichtmagnetischer Kern sich an den stromdurchflossenen Spulen ausrichtet. Die wenigsten Schrittmotoren besitzen mehr als vier Spulen.

In dieser Abbildung sind B und B1 verbunden. Wenn Spule B stromdurchflossen wird, wirkt sie als magnetischer Südpol und B1 als Nordpol, wodurch der Rotor in die Position springt. Als nächstes wird A1 stromdurchflossen als Südpol, um den Nordpol des Rotors anzuziehen. A wird als Nordpol stromdurchflossen und zieht den Südpol des Magneten an. Dies setzt sich fort, wie in dem nachfolgenden Muster dargestellt. Die grafische Darstellung dieses einzelnen Spulenmusters erinnert an eine Welle, weshalb die Abfolge oft als „Wellenantrieb" bezeichnet wird.

Rechtsläufiges Muster (Neustart)

Bei einer Schrittauflösung von 90º ist dies in der Tat ein sehr grober Schrittmotor. Als weitere Möglichkeit lässt sich dies dadurch erreichen, dass alle vier Spulen gleichzeitig stromdurchflossen werden, wobei Nord- und Südpole nacheinander aufeinander ausgerichtet werden. Der dauermagnetische Rotor zeigt zwischen die aktiven Elektromagneten in Richtung der Mitte ihrer gemeinsamen magnetischen Anziehungskraft. Diese Betriebsart mit allen Spulen liefert mehr Drehmoment als die Antriebsart mit nur einer Spule, erfordert aber bei voller Erregung auch die doppelte Energie.

Die rechtsdrehende Sequenz ist wie folgt:

Rechtsläufiges Muster (Neustart)

Obwohl die Bewegung immer noch in Schritten zu vollen 90º erfolgt, bieten die beiden Optionen durch die Möglichkeit der abwechselnden Nutzung jetzt 8 anstelle von 4 Schritten. Dies wird als Halbschritt bezeichnet und in der nachstehenden Abbildung veranschaulicht:

Die längere Sequenz wird hier nicht dargestellt, folgt jedoch einer ähnlichen progressiven Schrittbewegung. Die dargestellten Muster lassen sich übrigens auch umkehren, sodass die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt.

Schließlich lässt sich die Konfiguration mit mehreren Magneten mithilfe von Mikroschritten noch verfeinern. In einer solchen Konfiguration wird jeder Pol inkrementell In einem analogen sinusförmigen Muster stromdurchflossen. Dadurch lassen sich diese 8 Einzelschritte weiter aufteilen in 16, 32 und potenziell noch kleinere Schritte.

NEMA 17: 200 Schritte pro Umdrehung

Ein handelsüblicher Schrittmotor gemäß der Norm NEMA 17 geht über die oben dargestellte einfache Magnetanordnung hinaus und ermöglicht 200 einzelne Fortschritte pro Umdrehung. Dies ergibt eine Auflösung von 1,8º pro Einzelschritt (360º/200). Beim typischen NEMA-17-Schrittmotor sind 8 Spulen um den Umfang angeordnet. Er arbeitet aber mit derselben Art des in der oben stehenden Abbildung gezeigten Musters „A, A1; B, B1“.

Im Inneren des Motors befindet sich ein Rotormagnet mit axial angeordnetem Nord- und Südpol sowie 50 gezahnten Stahlkappen an jedem Ende, die den hybriden Betrieb mit Permanentmagnet/variabler Reluktanz ermöglichen. Jede Gruppe der gezahnten Stahlkappenzähne sind zu ihrem Gegenstück am entgegengesetzten Rotorende versetzt, was 200 Schritte pro Umdrehung ermöglicht.

Mit der Halbschrittmethode ist eine Auflösung von 0,9º erreichbar, während durch Mikroschritte diese Aufteilungen weiter multipliziert werden können. Schrittmotoren stellen eine erstaunliche Innovation dar, vor allem angesichts der Tatsache, dass sie in großen Stückzahlen und oft für weit unter 100 US-Dollar verkauft werden.

Schrittmotor NEMA 17: näherer Einblick durch Zerlegung

NEMA-17-Schrittmotoren lassen sich recht einfach auseinanderbauen: Man löst die Schrauben auf der Rückseite des Motors und klopft dann die Welle gegen einen Tisch oder eine andere harte Fläche. Trotz einer gewissen Bruchgefahr erschien es für unsere Zwecke angemessen, eine preiswerte Einheit potenziell zu opfern. Ich ging einen Schritt weiter und bohrte ein Loch in die Gehäuseoberseite, um einen Blick auf die Vorgänge im Inneren zu erhaschen.

Im ersten unten gezeigten Bild sieht man die Hauptteile des Schrittmotors. Links ist der untere Bereich, der zur Ansicht abgeändert wurde. Der Rotor ist in der Mitte zu sehen, zusammen mit den weiter oben beschriebenen versetzten Erhebungen. Erkennbar sind auch die Lager am oberen und unteren Ende für den laufruhigen Betrieb. Der Hauptbereich mit den Elektromagneten befindet sich rechts, mit 8 Spulen und vorstehenden magnetischen Zähnen, die zum Anziehen/Abstoßen des Rotors in einer Sequenz dienen. Eine Wellenfeder unten rechts hält den Rotor fest und verdeckt teilweise den Blick auf einige Befestigungsschrauben.

Die nächsten beiden Bilder zeigen den Rotor detaillierter, mit einem kleinen Scheibenmagneten, der zur Anzeige der Polarität gekippt wird. Danach folgt eine Nahaufnahme des Stators mit seinen Spulen und Erhebungen.

Nachdem alles (wieder) zusammengesetzt wurde, zeigt das nächste Bild einen Ausschnitt von Rotor und Spulen in Ausrichtung. Ein Arduino Uno mit „Motor Shield“ verwendet einen L293D-Treiberchip zum Aktivieren des Schrittmotors in der Sequenz. Diese Chips sind besonders geeignet für Schrittmotoren, weil sie zwei H-Brückenschaltungen implementieren, mit denen sich Spulen in beide Richtungen erregt werden können.

Der L293D-Motorschild ist mit diesem modifizierten Schrittmotor verkabelt. Er führt eine modifizierte version des Motorschild-Prüfcodes von Adafruit aus (viel langsamer und 200 Schritte pro Umdrehungen anstatt standardmäßig 48). LEDs wurden an den Spulenausgängen angebracht, jeweils rote in eine Richtung und blaue in die andere Richtung. Dadurch kann eine Richtung durch rotes Licht und die Gegenrichtung durch blaues Licht angezeigt werden. Da dies durch die vier Schrittmuster geht, bietet es eine gute Veranschaulichung des Stromflusses.

Bipolare Schrittmotoren: nützliche Bewegungssteuerungen

Am Ende des Tages bestehen gute Chancen, dass Sie sich niemals mit dem Innenleben von Schrittmotoren auseinandersetzen müssen, weil diese – mit dem richtigen Treiber und der richtigen Software – im allgemeinen einfach nur funktionieren. Dieser Artikel hat Ihnen hoffentlich dennoch einen näheren Einblick vermittelt, was in diesen faszinierenden Bauteilen passiert. Zwar gibt es einige Einschränkungen beim Einsatz (da ihnen beispielsweise anders als einem Servo die integrierte Rückkopplung fehlt). Dennoch können Schrittmotoren oftmals eine hervorragende Wahl für eine präzise Rotationssteuerung sein.

Wenn Sie Feedback und Einstellmöglichkeiten auf der Basis der Geschwindigkeit statt der reinen Entfernung benötigen, lesen Sie unseren Artikel zur Implementierung einer PID-Steuerschaltung.