Schrittmotortreiber Performance-Optimierung durch den Einsatz der geeigneten Treibertechnik

Der Schrittmotor dreht sich nicht kontinuierlich, sondern in definierten Winkelschritten. Mit der richtigen Treibertechnik ist er eine präzise Lösung für Achssteuerungen und Messapplikationen.

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EBV Elektronik GmbH & Co. KG

FAULHABER Antriebssysteme

Bei Schrittmotoren lassen sich nicht nur Drehrichtung, Bremsung und Drehzahl steuern, sondern es ist auch eine sehr feinstufige und damit äußerst exakte Achssteuerung möglich. Jüngeren Schätzungen zufolge entfallen rund 17% des Weltmarkts für Motortreiber auf Schrittmotoren. Als Sonderbauart von kollektorlosen Gleichstrommotoren oder AC-Synchronmotoren haben Schrittmotoren die Vorteile einer langen Lebensdauer und einer präzisen Steuerbarkeit. Bei den Schrittmotoren ist zwischen Permanentmagnet- und VR-Motoren (variable Reluktanz) in kollektorloser Ausführung sowie Hybrid-Bauarten zu unterscheiden. Letztere kombinieren Designprinzipien der Permanentmagnet- und VR-Bauart und ermöglichen eine sehr hohe Auflösung.

Abgesehen von ihrer Fähigkeit auf digitale Eingangsimpulse zu reagieren, haben Schrittmotoren einige weitere Vorteile gegenüber anderen Motorbauarten: Der durchfahrene Drehwinkel ist proportional zur Zahl der Eingangsimpulse. Solange die Wicklungen bestromt sind, liegt auch bei stehendem Rotor das volle Drehmoment an. Darüber hinaus verfügen sie über präzise Positionierung, Reproduzierbarkeit und eine hervorragende Reaktion auf Start-, Stopp- und Reversierbefehle. Zu den populären Anwendungsfeldern von Schrittmotoren gehören Drucker, Kopierer, Scanner und andere Büromaschinen, die eine präzise motorgetriebene Bewegung benötigen, sowie Überwachungskameras, Nähmaschinen, Fabrikautomatisierung und Roboter.

Im Unterschied zu Servomotoren lassen sich Schrittmotoren auch ungeregelt sehr präzise betreiben, sodass weder ein Positionsgeber noch ein Fehlerverstärker benötigt wird. Die verschiedenen Schrittmotoren unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Zahl der Phasen und Pole sowie durch den Schrittwinkel. Die Begriffe unipolar, bipolar und bifilar kennzeichnen die verschiedenen Wicklungsarten.

Überlegungen zu den Schrittmotor-Treibern

Zu den verbreiteten Ansteuerverfahren für Schrittmotoren gehören die Wellenansteuerung, der Voll- und Teilschrittbetrieb und der Mikroschrittbetrieb. Während bei der Wellenansteuerung stets eine Phase eingeschaltet ist, sind bei der Vollschritt-Ansteuerung zwei Phasen und beim Halbschritt-Betrieb nur eine bzw. zwei Phasen eingeschaltet. Bei der Viertelschritt-Ansteuerung wiederum wird eine besondere Ablaufsteuerung für die Statorphasen in Hybrid-Schrittmotordesigns angewandt, deren Pole um ein Viertel eines Zahns versetzt angeordnet sind.

Für den Mikroschritt-Betrieb werden kontinuierlich variierende Motorströme verwendet. Üblich sind der Achtel-, Zehntel-, Zwölftel- und Sechzehntelschritt-Betrieb. Abgesehen von der höheren Auflösung trägt der Mikroschritt-Betrieb dazu bei, Resonanzen bei niedrigen Drehzahlen zu unterbinden.

Bei vier Wicklungen kann ein Schrittmotor vier, sechs oder acht Anschlüsse aufweisen. Bei vier Anschlüssen sind jeweils zwei Wicklungen in Reihe geschaltet, während bei sechs Anschlüssen jeweils ein gemeinsamer Anschluss zwischen den Wicklungen vorhanden ist. Auf diese Weise kann entweder jeweils eine halbe Wicklung bestromt werden (vom Mittelabgriff bis zu einem Wicklungsende) oder stets eine ganze Wicklung (ähnlich der Ausführung mit vier Anschlüssen). Wird nur die halbe Wicklung bestromt, so ist auch die Stromstärke nur halb so hoch wie normal. Motoren mit acht Anschlüssen lassen sich entweder in Reihe oder parallel ansteuern. Bei Serienschaltung hat der Motor Ähnlichkeit mit der Version mit sechs Anschlüssen und der Bestromung ganzer Wicklungen. Der parallelgeschaltete Motor mit acht Anschlüssen ist um etwa 3% effizienter als ein Motor mit sechs Anschlüssen und hälftig bestromten Wicklungen.

Entscheidende Eckdaten von Schrittmotoren sind Drehzahl, Drehmoment und Drehmomentwelligkeit, Genauigkeit (Auflösung), Vibrationen, Geräuschentwicklung, Resonanzen, Treiberspannung, Treiberstrom sowie Positionsgenauigkeit.

Ergänzt man einen Schrittmotor durch einen Winkelcodierer oder Resolver, so erhält man einen so genannten Pseudo-Servoantrieb. Der Schrittmotor kann hier nach wie vor ungeregelt betrieben werden, besitzt jedoch die Fähigkeit für den geregelten Betrieb und verhindert, dass er aus dem Takt gerät. Schrittmotor-Designs dieser Art vermeiden das bei Servomotoren häufig vorgefundene Oszillatationsproblem.

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