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Heute, Schritt für Schritt zu den Schrittmotoren. Mal sehen, wie präzise und vielseitig diese kleinen Biester, die in der Reichweite eines jeden Bastlers, Makers und Heimwerkers sind, sein können.
Wie funktioniert ein Schrittmotor?
Ein Schrittmotor ist ein Elektromotor, der sich jedes Mal, wenn er einen elektrischen Impuls erhält, um einem bestimmten Winkel dreht. Dies wird dadurch erreicht, dass der Schrittmotor aus mehreren Elektromagneten besteht, die Metallteile, so genannte Rotoren, anziehen und dadurch in Drehung versetzen.
Schrittmotoren werden häufig in Geräten eingesetzt, die eine präzise Bewegungssteuerung erfordern, wie z. B. 3D-Drucker, Plotter und Schneidegeräte, Industrie- und Hobby-Roboter oder CNC-Maschinen.
Elektrischer Impuls in einem Schrittmotor
Ein elektrischer Impuls, der an den Schrittmotor gesendet wird, bewirkt, dass sich der Rotor um einen bestimmten Winkel dreht, was wiederum den Antrieb zum nächsten Schritt bewegt. Man kann es mit einer Rolltreppe vergleichen, auf der die Menschen stehen und sich mit der Treppe in eine bestimmte Richtung bewegen. Jeder elektrische Impuls entspricht einer Bewegung der Rolltreppe um ein Glied oder, im Falle eines Schrittmotors, ein Schritt.
Ein anderes Beispiel wäre die Bewegung einer Hand, bei der ein elektrischer Impuls für die Bewegung eines Fingers verantwortlich ist. So wie wir mit den Fingerbewegungen Objekte präzise manipulieren können, ermöglichen uns die elektrischen Impulse eines Schrittmotors die präzise Steuerung mechanischer Bewegungen.
Schrittmotor-Typen
Wie üblich können ähnliche Klassifizierungen manchmal problematisch sein, da es sich oft um künstliche funktionale Unterteilungen handelt, die ein besseres Verständnis des Vorgangs ermöglichen. Das machen wir zuerst wegen der Schrittmotorphasen mit zunehmenden Progressionsgraden.
- Einphasiger Schrittmotor – dies ist der einfachste Schrittmotortyp, der aus einer einzelnen Spule und einem Rotor mit Permanentmagneten besteht. Die Spule erzeugt ein Magnetfeld, das die Rotormagnete anzieht, so dass sie sich um einem bestimmten Winkel drehen. Der einphasige Schrittmotor ist relativ preiswert und einfach zu bedienen, aber im Vergleich zu seinen Brüdern nicht sehr präzise.
- Ein Zweiphasen-Schrittmotor besteht aus zwei Spulen, die abwechselnd eingeschaltet werden, um die Rotormagnete anzuziehen und so eine Drehung zu bewirken. Dies macht einen zweiphasigen Schrittmotor präziser als einen einphasigen, aber er ist in der Regel auch teurer.
- Ein Mehrphasen-Schrittmotor ist die modernste Art des Schrittmotors, der aus mehreren Spulen besteht, in der Regel drei bis fünf. Dank dieser Eigenschaften gilt der Mehrphasen-Schrittmotor als sehr präzise und hat eine hohe Ausgangsleistung, die es ihm ermöglicht, höhere Lasten zu bewältigen. Auch der Mehrphasen-Schrittmotor ist recht komplex und teuer in der Herstellung.
Es ist auch erwähnenswert, dass Schrittmotoren in Hybridmotoren und Magnetmotoren unterteilt werden können. Hybridmotoren sind eine Kombination aus einem Zwei-Phasen-Schrittmotor und einem Gleichstrommotor, die eine noch präzisere Bewegung ermöglichen. Magnetmotoren hingegen bestehen aus Spulen und Magneten, haben aber keinen Rotor, und die Bewegung erfolgt durch die Bewegung der Magnete.
Ein wichtiger Aspekt ist das Getriebe, das häufig bei der Suche nach Schrittmotoren erwähnt wird. Ist für die Veränderung des Drehmoments und der Ausgangsdrehzahl des Motors verantwortlich. Je größer das Getriebe ist, desto größer ist das Drehmoment am Motorausgang. Schrittmotoren verwenden in der Regel mechanische Getriebe, Ritzel und Schnecken- oder Kegelradgetriebe.
Anwendung von Schrittmotoren
Schrittmotoren haben grundlegende Vorteile gegenüber anderen Motortypen. Dank ihrer präzisen Schrittbewegung sind sie ideal, wenn eine hohe Positioniergenauigkeit oder eine Steuerung von Drehbewegungen erforderlich ist. Aber das wissen wir ja schon – schauen wir uns die konkreten Geräte an.
Wir haben bereits erwähnt, dass Schrittmotoren in vielen Geräten wie Druckern und CNC-Maschinen verwendet werden. Die Ersatzteillisten von 3D-Druckern enthalten fast immer ein gemeinsames Schrittmotor-Element. Die Verwendung eines Schrittmotors in einem 3D-Drucker ist eine sehr genaue und kostengünstige Methode, um sehr präzise Aktionen und Drehungen auszuführen, während der Drucker sozusagen Informationen aus digitalen Scans in physische 3D-Objekte “übersetzt”.
Schrittmotoren und Steuergeräte in 3D-Druckern ermöglichen eine streng kontrollierte Bewegung entlang der X-, Y- und Z-Achse, entweder separat oder gleichzeitig, was bedeutet, dass eine extreme Bewegungs- und Positionierungsgenauigkeit erreicht werden kann, ohne dass Encoder und andere zusätzliche Software oder Sensoren erforderlich sind. Darüber hinaus verfügen die meisten 3D-Drucker über mehrere Schrittmotoren, die in der Regel sowohl in den Bauplattformen selbst als auch in den Extrudern zu finden, wo sie dazu beitragen, das Filament einzuziehen und eine gleichmäßige, konsistente Materialzufuhr zur Maschine während des gesamten Druckvorgangs zu steuern.
Ein weiterer Anwendungsbereich für Schrittmotoren sind CCTV-Industriekameras. Sie werden sowohl zur Steuerung hochpräziser interner Komponenten wie Autofokus- und Blendeneinstellungen im Objektiv als auch in den Gehäusen und der externen Mechanik von Überwachungskameras und Fernüberwachungssystemen eingesetzt.
Insbesondere Schrittmotoren und motorisierte Kameraschieber ermöglichen einen reibungslosen Betrieb der Positionierungssysteme, was dazu führt, dass Sicherheitsaufnahmen ohne Bildverzerrungen durch die physische Bewegung der Kamera in ihrem Sichtfeld produziert werden. Diese attraktiven Funktionalitäten für den Einsatz in Kamerapositionierungs- und Videoüberwachungssystemen ermöglichen beispielsweise ein volles Drehmoment im Ruhezustand, praktisch sofortige Reaktionszeiten für alle Bewegungseingaben, die Wiederholbarkeit vordefinierter Bewegungen und eine einfache, durch feste Schrittgrößen definierte Steuerung.
Leistung und technische Daten des Schrittmotors
Die Wahl des Motors hängt von den Faktoren Geschwindigkeit, Drehmoment, Winkelauflösung, Größe und Form ab. Einige der nachstehend aufgeführten Begriffe sind beispielsweise Automechanikern bekannt oder wecken zumindest gewisse Assoziationen.
Ein Schritt ist die Grundeinheit der Bewegung in einem Schrittmotor. Je kleiner der Schritt ist, desto größer ist die Positionierungsgenauigkeit, aber desto geringer ist die Geschwindigkeit. Der Anstellwinkel bestimmt den Drehwinkel der Motorwelle, der erforderlich ist, um einen Schritt zu machen. In der Regel beträgt er 1,8 Grad, in manchen Fällen kann er aber auch weniger betragen.
Das Drehmoment ist die Kraft, mit der sich ein Motor um seine Achse dreht. Je höher das Drehmoment, desto stärker der Schrittmotor.
Die Geschwindigkeit des Schrittmotors hängt von der Frequenz des Steuersignals ab. Je höher die Frequenz, desto höher die Geschwindigkeit.
Schließlich ist das Gewicht des Schrittmotors nach wie vor wichtig, vor allem, wenn Sie ihn in beweglichen Geräten einsetzen wollen, die ein gewisses Maß an Mobilität erfordern.
Bei der Wahl von Parametern wie Versorgungsspannung, Stromstärke und Impedanz lohnt es sich, die Datenblätter zu lesen und verschiedene Modelle zu vergleichen.
Schrittmotoren in DIY-Projekten
Auch hier ist die Grenze nur die Vorstellungskraft, aber irgendwo muss man ja seine ersten Schritte machen. Schrittmotoren werden häufig in Roboterprojekten eingesetzt, da sie eine präzise Bewegung der Roboterglieder ermöglichen. Sie können zur Steuerung von Arm-, Bein- oder Gebiss verwendet werden – wir wissen zwar nicht, was Sie da eigentlich konstruieren wollen, aber Stepper sind hilfreich. 3D-Drucker enthalten sie nicht nur ab Werk, sie können auch nachgerüstet werden. Sie können bei der Bewegung von RC-Fahrzeugen (bei ferngesteuerten Projekten) wie Autos, Drohnen oder Booten verwendet werden, um die Bewegung von Rädern oder anderen Fahrzeugkomponenten zu steuern.
Am Ende der Liste stehen medizinische Geräte, die zwar alles andere als DIY sind und von denen wir aus offensichtlichen Gründen eher abraten, aber Schrittmotoren werden in der Medizin in Geräten wie Infusionspumpen, Dialysegeräten oder zur Steuerung der Scandauer bei CT-Scans eingesetzt.
Der beste Platz, um nach Ideen zu suchen, sind Hackerseiten, auf denen Elektronik-Enthusiasten Hunderte von genialen Schrittmotorprojekten veröffentlichen, einschließlich solcher, die die beliebte Arduino-Entwicklungsplattform und Minicomputer wie den Raspberry Pi verwenden. Der Funke, der den eigenen Einfallsreichtum entfacht, kann sogar von Pinterest kommen, wo es zwar oft an konkreten Plänen mangelt, aber der bloße Anblick von Designs kann die Kreativität wirklich zum Leben erwecken.
