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Schrittmotor

Technologie und Funktionsweise: Der Schrittmotor ist ein elektrischer Motor, der sich nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Winkelschritten bewegt. Die Ansteuerung aktiviert seine Wicklungen in einer definierten Sequenz. Das entstehende Magnetfeld zwingt den Rotor in eine definierte Position.

Verbreitet sind: Reluktanz-Schrittmotoren, Permanentmagnet-Schrittmotoren und Hybrid-Schrittmotoren. Beim Hybridmotor werden Eigenschaften des Permanentmagnet- und Reluktanzprinzips kombiniert. Eine gezahnte Rotorstruktur und ein Permanentmagnet ermöglichen kleine Schrittwinkel und vergleichsweise hohe Drehmomente. Ein typischer zweiphasiger Hybrid-Schrittmotor besitzt beispielsweise einen Grundschritt von 1,8°, entsprechend 200 Vollschritten pro Umdrehung.

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Merkmale: Der besondere Vorteil des Schrittmotors besteht darin, dass eine Positionierung prinzipiell ohne Encoder möglich ist. Die Steuerung gibt eine bestimmte Anzahl von Schritten vor und erwartet, dass der Motor diese ausführt. Damit entsteht ein offener Regelkreis. Das System ist dadurch einfach und kostengünstig, besitzt aber einen entscheidenden Nachteil: Bei Überlast oder zu hoher Beschleunigung kann der Motor Schritte verlieren. Die Steuerung erkennt dies ohne zusätzliche Rückführung zunächst nicht.

Typische Einsatzgebiete:

• einfache Positionierachsen

• Dosiersysteme

• Zuführungen

• kleine Linearachsen

• Drucker- und Etikettiertechnik

• Laborautomation

• Kameraverstellungen

• Ventil- und Klappenverstellungen

• kostensensitive Automatisierungsaufgaben

Drehmomentverhalten: Ein wesentliches Merkmal des Schrittmotors ist sein stark drehzahlabhängiges Drehmoment. Bei niedrigen Drehzahlen kann ein relativ hohes Drehmoment zur Verfügung stehen. Mit zunehmender Schrittfrequenz sinkt das verfügbare Drehmoment jedoch deutlich. Ursache sind unter anderem: Induktivität der Motorwicklungen, begrenzte Stromanstiegsgeschwindigkeit, Gegen-EMK, begrenzte Versorgungsspannung oder elektrische und mechanische Resonanzen. Daher besitzt ein Schrittmotor keine konstante Drehmomentkennlinie über den gesamten Drehzahlbereich. Für dynamische Bewegungen ist insbesondere die Beschleunigungsrampe wichtig. Wird eine zu hohe Schrittfrequenz unmittelbar angelegt, kann der Rotor der Erregung nicht folgen und die Synchronität geht verloren.

Stillstand und Schwingresonanz: Auch im Stillstand bzw. bei sehr niedrigen Drehzahlen kann ein Schrittmotor schwingen. Grund hierfür ist die diskrete Anregung des elektromagnetischen Systems. Trifft die Schrittfrequenz auf eine Eigenfrequenz des mechanischen Systems, kann eine ausgeprägte Resonanz entstehen. Dabei nehmen Überschwingen und Unterschwingen zu; die Wahrscheinlichkeit eines Schrittverlustes steigt. Die genaue Resonanzfrequenz hängt unter anderem von Trägheit und Last ab.

Mögliche Gegenmassnahmen sind:

• geeignete Beschleunigungsrampen

• Vermeidung kritischer Drehzahlbereiche

• kleinere Schrittwinkel

• Microstepping

• geeignete Dimensionierung

• mechanische Dämpfer

• Closed-Loop-Schrittmotoren

Microstep-Technologie: Beim Vollschritt wird die Wicklung im Wesentlichen diskret umgeschaltet. Beim Microstepping wird dagegen der Wicklungsstrom stufenweise verändert. Idealerweise werden sinus- bzw. cosinusförmige Stromverläufe erzeugt. Dadurch wird der Grundschritt in zahlreiche kleinere elektrische Schritte unterteilt. Das Prinzip reduziert Drehzahlsprünge und kann Vibrationen und Geräusche deutlich reduzieren.

Vorteile:

• deutlich geringere Vibration

• geringere Geräuschentwicklung

• gleichmässigere Bewegung

• höhere rechnerische Auflösung

• bessere Laufruhe bei niedrigen Drehzahlen

• geringere mechanische Anregung

• bessere Beherrschung von Resonanzbereichen

Nachteile:

• Microsteps sind nicht automatisch entsprechend genau mechanisch positionierbar

• Drehmoment pro Microstep ist geringer

• die tatsächliche Positioniergenauigkeit hängt von Motor, Last und Regelung ab

• bei hoher Last können mehrere Microsteps erforderlich sein, bevor sich der Rotor tatsächlich bewegt

• zusätzliche Anforderungen an den Treiber

• weiterhin Gefahr von Schrittverlusten bei Überlast

Insbesondere darf die Auflösung des Sollwertes nicht mit der absoluten Positioniergenauigkeit verwechselt werden. Microstepping erhöht primär die Feinheit der Ansteuerung und verbessert die Laufruhe; die reale Genauigkeit wird zusätzlich durch Motor, Mechanik, Last und Regelungsverfahren bestimmt.

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