Schrittmotoren – Wie funktionieren sie?

Stellen Sie sich vor, Sie berühren mit Ihrer Fingerspitze die Nasenspitze. Versuchen Sie nun, dies mit geschlossenen Augen zu tun – es gelingt immer noch mühelos, und zwar dank der Steuerungsimpulse, die vom Gehirn an die Nervenbahnen des Bewegungsapparats gesendet werden. Scheinbar nicht zusammenhängende Tätigkeiten wie Stabhochsprung, Hornhauttransplantationen, das Honen der Zylinderlaufbuchsen eines Kolbenmotors oder das Kalibrieren von Messgeräten erfordern alle das Vorhandensein eines gemeinsamen Faktors: die Präzision der menschlichen Handbewegungen. Stellen wir uns nun vor, dass wir einen Roboterarm bauen wollen, dessen Aufgabe darin besteht, die Zusammenarbeit der Muskeln der Hand mit dem Skelettsystem durch eine Anordnung von entsprechend miteinander verbundenen Rädern, Zahnrädern, Scharnieren, Rahmen und anderen beweglichen Teilen zu replizieren – klingt das nicht beeindruckend? Eines der größten Probleme bei der Entwicklung einer solchen Konstruktion ist die Wahl des richtigen Antriebs, der einer der wichtigsten Faktoren für die Präzision der ausgeführten Bewegungen ist. Gewöhnliche Elektromotoren, deren Rotor sich kontinuierlich dreht (wie sie z.B. in handgeführten Elektrowerkzeugen zu finden sind), erfüllen ihren Zweck in einer solchen Anwendung nicht ausreichend. Zu diesem Zweck werden gerne Motoren verwendet, die, gesteuert durch ein geeignetes elektronisches System, im Gegensatz zu herkömmlichen Elektromotoren einen Rotor verwenden, der sich auf diskrete Weise dreht, wobei eine endliche Anzahl von Einzelschritten, die durch eine sich wiederholende Winkeldrehung dargestellt werden, in der Summe eine vollständige Winkeldrehung ergeben. In diesem Artikel werden wir Ihnen erklären, was Schrittmotoren sind, wie sie aufgebaut sind und funktionieren, in welchen Anwendungen sie eingesetzt werden und welche Vor- und Nachteile sie haben. Wenn Sie sich also dafür interessieren, was ein Schrittmotor ist, dann lesen Sie weiter.

Konventionelle Elektromotoren – nicht für Roboter?

Bevor wir auf den Aufbau und die Funktionsweise eines Schrittmotors eingehen, sollten wir uns ansehen, warum ein herkömmlicher Bürsten-Elektromotor, bei dem sich der Rotor kontinuierlich dreht, im Hinblick auf die Präzision der ausgeführten Bewegungen keine allzu gute Lösung für Roboterkonstruktionen ist. Gleichstromkommutatormotoren bestehen aus einem feststehenden Element (dem Stator) in Form eines zylindrischen Rings, der entlang seiner Höhenachse halbiert ist, und einem beweglichen Element, dem Rotor, der aus Wicklungen besteht, denen über Kohle- oder Kohlegraphitbürsten und Kommutatorringe eine Versorgungsspannung zugeführt wird – ein spezieller Schaltkreis, durch den der Rotor eine Drehung in eine Richtung ausführt. Das Magnetfeld des gespeisten Rotors (Elektromagnet) interagiert mit dem Magnetfeld des Stators (Dauermagnet) und treibt den Rotor in Drehung. Elektromotoren können auch auf der Grundlage des Phänomens der elektromagnetischen Induktion arbeiten, ohne dass ein Kommutator verwendet wird – dazu gehören Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer und Anlaufhilfsschaltung und Ringrotor mit variablem Wicklungswiderstand sowie Synchronmaschinen, bei denen die Erregerwicklung, die sich normalerweise auf dem Rotor befindet, mit Gleichstrom versorgt wird. Sowohl Gleichstrom- als auch Wechselstrommotoren sind in vielen netz- und batteriebetriebenen Haushalts- und Gewerbegeräten zu finden – wie z.B. in Waschmaschinen, Klimaanlagen, handgeführten Elektrowerkzeugen, Computern, Förderbändern, Kränen, Drohnen, Spielzeug, Fahrzeugen und vielen anderen. Unabhängig von der Konstruktion und dem Funktionsprinzip des Motors besteht seine Aufgabe darin, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Neben Lösungen wie dem Ändern der Anzahl der Rotorpolpaare und dem Umschalten von Wicklungen ermöglichen moderne Elektronik und Software auch die präzise Steuerung des Motorbetriebs in Bezug auf Geschwindigkeit und Drehrichtung. Nehmen wir nun an, wir wollen einen Roboterarm eines elektrisch angetriebenen Roboters bauen, der eine recht phantasievolle Aufgabe ausführt – indem er an den beweglichen Gelenken seines Arms Drehbewegungen mit einer Winkelgenauigkeit von 1º ausführt, greift der Roboter eine Tasse mit unserem Lieblingsgetränk und bewegt sie auf dem Schreibtisch – von der Kanne in den Bereich um die Computermaus. Indem wir einen oder mehrere geeignet angebrachte Elektromotoren verwenden, um den Roboterarm in Bewegung zu setzen, die für sehr kurze Zeiträume ein- und ausgeschaltet werden, erreichen wir so eine Veränderung der geometrischen Position um einen gewissen Winkel und halten den Arm in dieser Position an. Der Haken an der Sache ist, dass man nicht genau weiß, um welchen Winkel sich die Rotoren der einzelnen Motoren gedreht haben. Das hängt von vielen Faktoren ab, wie z.B. den elektrischen und mechanischen Parametern des Motors – seiner Leistung, den Zeitverlaufsparametern der Versorgungsspannung, dem Drehmoment an der Welle und den mechanischen Parametern des Roboterarms. Ein mit herkömmlichen Elektromotoren gebauter Roboter könnte im besten Fall unser Lieblingsgetränk verschütten – im schlimmsten Fall auf der Computertastatur landen. Um dies zu verhindern, ist es am besten, für unseren Plan Schrittmotoren zu verwenden – eine besondere Art von Gleichstrommotoren, die im Gegensatz zu konventionellen Motoren Drehungen in präzisen Winkeln ausführen können, je nach den Konstruktionsparametern des Motors und der mit ihm arbeitenden Instrumente.

Schrittmotoren – Eigenschaften

Obwohl Schrittmotoren ebenso wie herkömmliche Gleichstrommotoren, die sich kontinuierlich drehen, mit Gleichspannung arbeiten, unterscheidet sich ihr Aufbau leicht von letzteren. Der Hauptunterschied besteht im Fehlen von Bürsten und einem Kommutator – den Komponenten, die für den Antrieb des Rotors und dessen konstante Drehung verantwortlich sind. Schrittmotor – was ist das? Wofür ist dieses Gerät zuständig? Mehr dazu erfahren Sie später in diesem Artikel.

Schrittmotor – was ist das?

Ein Schrittmotor ist eine Art bürstenloser Motor, aber unter diesem Namen sind vor allem Gleichstrommotoren mit der Bezeichnung BLDC bekannt, sowie ähnliche Konstruktionen in Form von Permanentmagnet-Synchronmaschinen, die mit Wechselspannung betrieben werden. Ein weiterer Unterschied ist die Konstruktion des Rotors. In einem gewöhnlichen Gleichstrommotor wird die Drehbewegung durch die Wechselwirkung des Magnetfelds des Permanentmagneten (Stator) mit dem Magnetfeld des Elektromagneten (Rotor) erzeugt, das durch den Strom in seinen Wicklungen entsteht.

Schrittmotor-Aufbau

Bei einem Schrittmotor hingegen ist es umgekehrt – der Rotor ist aus einem Permanentmagneten aufgebaut und die Wicklung wird von Elektromagneten gebildet. Der nächste Konstruktionsunterschied ist die Konstruktion von Stator und Rotor. Anstelle eines monolithischen Magneten (des Stators) und eines einzelnen in der Wicklung angeordneten Drahtes (des Rotors) verwendet der Schrittmotor einen Rotor in Form eines Permanentmagneten in einer zahnradähnlichen Form, der in eine konstruktiv festgelegte Anzahl von Abschnitten unterteilt ist, und einen Stator, dessen Wicklung in dieselbe Anzahl von Abschnitten wie der Rotor unterteilt ist.

Schrittmotor Funktionsprinzip

Und schließlich ein entscheidender Unterschied: Der Schrittmotor kann sich nicht nur präzise drehen, sondern auch – auf Basis einer Rückkopplung – eine feste Position als Reaktion auf eine gegebene mechanische Belastung der Rotorwelle beibehalten, was bereits in der Entwicklungsphase von Robotern und anderen elektromechanischen Systemen sehr wichtig ist. Ein geeignetes Steuersystem sorgt dafür, dass die Spannung pulsierend an die Schrittmotorwicklungen angelegt wird, so dass wir als Reaktion darauf einen geeigneten Wert für das Haltemoment an der Rotorwelle erhalten, der bewirkt, dass der Rotor in einer bestimmten festen Position gehalten wird, auch wenn sich die mechanische Belastung ändert. Bei herkömmlichen Elektromotoren ist ein solcher Effekt schwer, um nicht zu sagen unmöglich, zu erreichen.

Physikalische Grundlagen der Konstruktion von Schrittmotoren und ihre Auswirkungen auf das Funktionsprinzip

Schrittmotor – was ist das? Wie funktioniert er? Um diese Fragen zu beantworten, werden wir nun das Prinzip des Schrittmotors anhand seines Aufbaus skizzieren. Kurz gesagt, der Rotor dreht sich in einer bestimmten Anzahl von zählbaren kleinen Schritten durch das Anlegen einer gepulsten Spannung an die Statorwicklungen, d.h. Magnetfeldimpulse, deren Quelle der Strom ist, der in den Wicklungen fließt und durch eine bestimmte Spannung erzwungen wird. Der Rotor eines Schrittmotors besteht aus zwei Scheiben, die gegensätzlich magnetisiert sind – wie beim Magnetfeld der Erde stellt jede Scheibe einen Nord- (N) bzw. Südpol (S) dar. Die Ränder der beiden Scheiben stehen aufgrund ihrer entgegengesetzten Magnetisierung in Wechselwirkung zueinander. Der Stator, der sich um den Rotor herum befindet, besteht aus voneinander unabhängigen Elektromagneten, deren Pole paarweise gegeneinander geschaltet sind und die beim Anlegen einer Spannung eine Drehung des Rotors bewirken. Die Anzahl der gleichzeitig eingeschalteten Polpaare bestimmt die Anzahl der Schritte, die zusammen den Rotordrehwinkel bilden. Wenn der Stator beispielsweise 100 Polpaare bildet und wir wollen, dass der Motor einen Drehwinkel von 36º macht, dann muss eine Spannung an 10 Polpaare angelegt werden, die nacheinander gegeneinander versetzt sind.

Wie dreht sich der Schrittmotor?

Um das Prinzip des Permanentmagnet-Schrittmotors in einfachen Worten zu veranschaulichen, werden wir es an einem primitiven Modell veranschaulichen, dessen Stator mit zwei Polpaaren mit Wicklungen ausgestattet ist und dessen Rotorscheibe vierpolig ist. Seine magnetische Struktur ist bipolar – das bedeutet, dass seine Schrittauflösung – d.h. die Anzahl der Schritte pro voller Umdrehung – 4 beträgt, was bedeutet, dass der Motorrotor für einen einzigen Schritt eine 90º-Drehung macht. Die Elektromagnete sind wie ein Kompass angeordnet, d.h. so, als ob sie in die Richtungen Norden, Osten, Süden und Westen zeigen würden, oder analog zum Zifferblatt einer Zeigeruhr – jeweils anstelle der Stunden ”12”, ”3”, ”6” und ”9”. Im ersten Schritt wird durch das Einschalten eines Elektromagnetenpaares bei ”3” und ”9” ein Magnetfeld erzeugt, das den Rotor abstößt und ihn zu einer Vierteldrehung veranlasst. Im zweiten Schritt werden die Elektromagneten ”3” und ”9” ausgeschaltet und gleichzeitig werden die Elektromagneten ”12” und ”6” eingeschaltet, die in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Rotors eine weitere Vierteldrehung bewirken. Im dritten Schritt werden die Wicklungen ”12” und ”6” ausgeschaltet und die Wicklungen ”3” und ”9” wieder eingeschaltet – damit sich der Rotor in der gleichen Richtung weiterdreht, ist es notwendig, eine Spannung mit der entgegengesetzten Polarität wie im ersten Schritt anzulegen. Der vierte Schritt ist identisch mit dem zweiten Schritt, aber auch hier ist eine Spannung mit umgekehrter Polarität erforderlich, damit sich der Rotor in dieselbe Richtung dreht.

Anzahl der Polpaare, Schrittauflösung und ihr Einfluss auf die Genauigkeit von Schrittmotoren

Aus dem Prinzip eines Schrittmotors mit zwei Wicklungspaaren folgt, dass diese abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Bei Konstruktionen mit mehr Stator- und Rotorpolpaaren werden Sie einen geringeren Winkelabstand zwischen den Wicklungen feststellen – bei einem Motor mit drei Polpaaren sind die Elektromagnete beispielsweise alle 60º und bei vier Polpaaren alle 45º angeordnet. Es gibt auch Ausführungen mit einer ungeraden Anzahl von Polen – bei einem Motor mit drei Wicklungen, wie bei klassischen Drehstrommotoren, sind die Wicklungen beispielsweise in einem Abstand von 120º zueinander angeordnet. Die Rotorscheiben eines Schrittmotors haben dagegen Zähne an ihren Rändern, die über den Umfang der Scheibe verteilt sind, und die Stator-Elektromagneten haben Kerben, die in gleichen Abständen wie die auf den Rotorscheiben angeordnet sind. Je größer die Anzahl der Zähne ist, desto höher ist die Auflösung des Schrittmotors und desto besser kann der Motor in Anwendungen eingesetzt werden, die eine höhere Genauigkeit erfordern.

Vor- und Nachteile von Schrittmotoren in der Praxis

Schrittmotoren haben eine Reihe von Vorteilen. Ihr Einsatz ermöglicht die präzise Steuerung verschiedener technologischer Prozesse. Abhängig von der Schrittauflösung des Motors ist es möglich, den gewünschten Drehwinkel zu erreichen. Wenn jedoch zu viele Impulse an die Wicklungen angelegt werden, z.B. pro Sekunde, kann es sein, dass der Motor nicht mit der Steuerung Schritt hält, was insbesondere bei professionellen Anwendungen höchst unerwünscht ist – die Begrenzung liegt dann in der Mechanik der beweglichen Teile und den Parametern der für den Rotor und den Stator verwendeten ferromagnetischen Materialien. Ein guter Ausweg aus einer solchen problematischen Situation ist die Verwendung eines Servos mit Rückkopplungsmechanismus. Der Servo hat eine eingebaute Encoderscheibe auf dem rotierenden Element, die mit einer Fotozelle und einem Anschluss für die Versorgung mit Strom und Steuerspannungen zusammenarbeitet. Durch die Unterteilung des Scheibenfeldes in schwarze und weiße Kreissegmente gleicher Größe kann die Lichtschranke dem Steuerungssystem Informationen über den Winkel liefern, um den sich der Servorotor gedreht hat. Diese Art der Rückkopplung ermöglicht im Vergleich zu einem einfachen Schrittmotor eine präzise Steuerung der Servoposition, ist aber auch teurer, weshalb Schrittmotoren im Vergleich zu Servos beliebter sind. Obwohl Schrittmotoren oft nicht mit der Präzision von Servos mithalten können, sind sie doch auch sehr zuverlässig. Auf einen voreingestellten Steuerimpuls reagiert der Motor, indem er die Wellenposition exakt auf die von der Steuerung vorgegebene Position einstellt, kombiniert mit einer genauen und schnellen Geschwindigkeitsreaktion. Darüber hinaus sprechen das hohe Drehmoment und die geringe Vibration im unteren Drehzahlbereich für den Einsatz dieser Motoren in Anwendungen, die schnelle Positionsänderungen von angetriebenen Objekten über kurze Strecken erfordern. Schrittmotoren erfreuen sich auch in einer Vielzahl von Branchen großer Beliebtheit, in denen eine hohe Genauigkeit erforderlich ist, wie z.B. in der automatisierten Produktion von Halbleitern, mechanischen Komponenten, Photovoltaik-Panels, Diagnosegeräten, Fotoausrüstungen, Druckern und in der Automobilindustrie, wo sie für die Aufrechterhaltung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors verantwortlich sind.

Die Erfindung des Schrittmotors

Der erste Schrittmotor wurde 1912 von Frank Wood entwickelt und nach verschiedenen Modifikationen zehn Jahre später in einer Veröffentlichung mit dem Titel „The Art of Stepping“ patentiert. Bei Woods Erfindung wurde ein Stator verwendet, der aus fünf Elektromagneten bestand, die über den Umfang des Rades verteilt waren und in verschiedenen Kombinationen eingeschaltet wurden, wodurch der Rotor durch ein Magnetfeld in Bewegung gesetzt wurde. Der Schrittmotor ist also bereits erfunden – wofür ist er zuständig? Nach Angaben des Konstrukteurs soll die Erfindung die schrittweise Ausführung von Drehbewegungen unter Nutzung der natürlichen Eigenschaften ferromagnetischer Materialien demonstrieren.

Bremsmoment vs. Haltemoment

Der Bremsmoment eines Schrittmotors bezieht sich auf den leichten Widerstand, der beim Drehen der von der Versorgungsspannungsquelle abgeschalteten Motorwelle zu spüren ist. Das Vorhandensein dieses Drehmoments wird durch die Wechselwirkung des Magnetfelds des Stators mit dem Magnetfeld des Rotors verursacht und hängt von der Form der Hystereseschleife der magnetischen Induktion der Materialien ab (ihre Magnetisierungseigenschaften – d.h. die magnetische Induktion als Funktion der Magnetfeldstärke). Und das Haltedrehmoment gibt an, wie viel Kraft, abhängig von der Länge des Lastarms auf der Welle, beim maximalen Wert des von den Motorwicklungen aufgenommenen Stroms maximal aufgebracht werden kann. Dies ist einer der wichtigsten Parameter bei der Auswahl eines Schrittmotors für eine bestimmte Anwendung.

Schrittmotorsteuerung mit offenem und geschlossenem Regelkreis

Einer der Hauptvorteile des Schrittmotorkonzepts ist die Anpassung seines Aufbaus für eine offene Rückkopplung, bei der der Motor durch eine Folge von Impulsen mit festen Wellenformparametern gesteuert wird, ohne dass eine Rückkopplung angeschlossen werden muss. Dadurch werden die Kosten der Anwendung gesenkt. Eine solche Lösung ist jedoch anfällig für Vibrationen, übersprungene Schritte, wenn die Frequenz der Steuerimpulse zu hoch ist, und Probleme beim Erreichen hoher Drehzahlen. Bei Anwendungen, die eine größere Zuverlässigkeit und Betriebsstabilität erfordern, ist es ratsam, einen geschlossenen Regelkreis einzusetzen, bei dem ein ständiger Informationsaustausch zwischen dem Steuersystem und dem Motor über Motorparameter wie Drehzahl und Rotorwinkelposition stattfindet. Der Motor gewinnt dann deutlich an Leistung und erreicht die technische Leistungsfähigkeit von servobasierten Systemen. Der Nachteil einer solchen Lösung sind jedoch die höheren Kosten.

Reluktanz-Motoren

Ein weiterer Schrittmotortyp, der im Vergleich zu den Motoren mit Permanentmagneten etwas einfacher aufgebaut ist, ist der Schrittmotor mit variabler Reluktanz. Diese Motoren verfügen über einen Rotor aus weichmagnetischen Materialien und Diamagneten (Materialien, die keine magnetischen Eigenschaften aufweisen), verwenden aber wie Schrittmotoren mit Permanentmagneten einen Stator mit stromführenden Wicklungen. Da der Rotor nicht oder nur sehr schwach magnetisiert ist, gibt es keine Wechselwirkung zwischen ihm und dem Stator, wenn in den Statorwicklungen kein Strom fließt – daher bieten Schrittmotoren vom Typ Reluktanz kein Bremsmoment. Obwohl sie im Vergleich zu Permanentmagnet-Konstruktionen ein relativ geringes Drehmoment aufweisen, erweisen sie sich aufgrund ihres geringen Drehmomentabfalls als bessere Lösung im mittleren und oberen Drehzahlbereich. Außerdem zeichnen sie sich durch einen leisen Betrieb aus, was sie zu einer sehr guten Lösung für Anwendungen macht, die in Gebieten mit strengeren Lärmemissionsnormen betrieben werden.

Andere Typen: Hybridkonstruktionen – Kombination von Reluktanztechnologie mit Permanentmagneten

Es gibt einen dritten Schrittmotortyp, der die Vorteile von Reluktanz- und Permanentmagnetkonstruktionen kombiniert. Der Rotor besteht aus zwei Teilen aus Permanentmagneten, deren Kräfte entgegengesetzt zueinander gerichtet sind. Am Umfang des Rotors befinden sich Zähne, die zueinander gegenphasig sind – d. h. auf der Höhe der Zähne des Nordpolrads befinden sich Einkerbungen am Südpolrad und in gleicher Weise in der anderen Richtung. Der Stator des Motors ist ebenfalls so geformt, dass er mit den Zähnen des Rotors übereinstimmt. Diese Anordnung erleichtert den Fluss des magnetischen Flusses durch die Luftspalte, was sich im Vergleich zu Reluktanz- und Permanentmagnetkonstruktionen wesentlich günstiger auf das Haltemoment, das dynamische Drehmoment und das Bremsmoment auswirkt. Darüber hinaus weisen Hybridmotoren eine höhere Schrittauflösung auf als ihre protoplastischen Vorbilder gleicher Leistung – einige der präzisesten Ausführungen weisen eine Auflösung von 500 Schritten auf, wobei ein einzelner Schritt einer Rotordrehung von 0,72º entspricht.
Es ist möglich, diese Auflösung durch die Verwendung eines geeigneten Controllers mit einer Mikroschrittfunktion zu erweitern, d. h. den Standard-Einzelschritt in noch kleinere Schritte zu unterteilen, wodurch der Motor in fortschrittlicheren Anwendungen, einschließlich 3D-Druckern, eingesetzt werden kann – auf diese Weise gewinnen gedruckte Objekte an Originaltreue. Hybridkonstruktionen zeichnen sich durch eine hohe Leistung aus, erfordern aber eine höhere Fertigungspräzision und damit entsprechend höhere Kosten im Vergleich zu Reluktanz- und Permanentmagnetmotoren. Nichtsdestotrotz erfreut sich der hybride Schrittmotor bei Bastlern und Profis immer größerer Beliebtheit.