aktualisiert08.08.2010
Schrittmotor

Was ist überhaupt ein Schrittmotor und wo liegt der Unterschied zu einem Normalen Motor

Oft verwendet man in Computer gesteuerten Maschinen (Roboter ,Laufwerke, Scanner usw.)Gleichstrom-Motoren, dies erfordert aber eine gewissen Aufwand um eine Positionserkennung zu verwirklichen.
Im einfachsten Fall geschieht das durch Endschalter , somit ist man in der Lage zu erkennen ob der Motor bei seiner Bewegung sich am Anfang oder am Ende einer bestimmten Position befindet . 

Sollte man aber auch alle andere Positionen zwischen Anfang und Ende kennen so kann man es mit sogenannten Winkelgeber (Inkrementalgeber) erreichen. Dies ist im einfachsten Fall eine sich drehende Lochscheibe die mittels einer Gabellichtschranke abgefragt wird . Um diese Informationen als Positionsdaten zu verwenden ist aber einiges an Aufwand nötig. Einfacher geht es mit einem Schrittmotor.
Ein Schrittmotor läuft nicht einfach nur Rund wie man es von einem herkömmlichen Motor kennt, sonder er läuft in Abhängigkeit seiner Bauweise und seiner Ansteuerung immer nur um einen bestimmten Winkel (Schritt) weiter. Um das zu bewerkstelligen besitzt der Stator ( also das Feststehende Motorgehäuse) zwei Wicklungen die nacheinander angesteuert werden.

Beim Anlegen einer Spannung dreht er sich zum Beispiel nur um 7,5° ( je nach Bauart des Motors), dann bleibt der Schrittmotor in seiner Lage stehen , bis er wieder einen Impuls bekommt usw... Wenn wir jetzt die Impulse die der Schrittmotor bekommt gleichzeitig mit zählen, und wir alle anderen Faktoren miteinbeziehen ( Wellenumfang , evtl.. Zahnradumfang usw..) , kann man genau ausrechnen , auf welcher Position der Motor steht bei  einer gewissen Anzahl von Impulsen.Damit ist man in der Lage beispielsweise einem Roboterarm zu sagen , er soll seinen Arm genau auf 2,2cm anheben .

Schrittmotoren haben einen mehrpoligen Stator und einen Wicklungslosen Rotor . Bei entsprechendem Erregen der Statorwindungen führt der Rotor (Anker) einen Schritt aus, mit anderen Worten: eine Drehbewegung um einen gewissen Drehwinkel. Der Stator ist eine Anordnung aus mehreren Wicklungen. Der Rotor ist entweder aus einem weich magnetischen Werkstoff gefertigt oder als Dauermagnet ausgeführt . Die Anzahl der magnetischen Pole des Rotors bestimmt den Drehwinkel des einzelnen Schrittes (Schrittwinkel, Auflösung). Ein typischer Schrittwinkel: (200 Schritte/Umdrehung)
Die Rotoren derartiger Schrittmotoren haben z.B. 50 oder 100 Pole. Um die jeweils nächstgelegenen Pole des Rotors anzuziehen, werden die Wicklungen des Stators zyklisch nacheinander erregt.

Wie unterscheidet man Schrittmotoren

Reduktanzmotor

Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reduktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann. Beim Reduktanzmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

Schrittmotoren mit Dauermagnet-Rotor haben einen Stator, der aus zwei Elektromagneten besteht, die gegeneinander in einem Winkel von 90° angeordnet sind ( Das eigentliche Problem besteht darin, diese Magnete zyklisch so umzupolen, das der Anker gleichsam mitgezogen wird.
Um sich die Wirkungsweise klarzumachen, ist es ausreichend, nur 4 Schritte je Umdrehung bzw. einen Schrittwinkel von 90° anzunehmen .

Vollschrittbetrieb . Einphasensteuerung.

In der Ruhelage sind nur jene Pole des Stators aktiv, denen ein Pol des Rotors direkt gegenüberliegt. Die Anziehungskräfte halten den Rotor in seiner Lage. Soll der Rotor um einen Schritt weiterbewegt werden, ist die aktuelle Erregung auszuschalten (der Rotor wird so freigegeben), und die jeweils im gewünschten Drehsinne nachfolgenden Statorpole sind so zu erregen, das die betreffenden Pole des Rotors angezogen werden.
Durch zyklisches Aus- und Einschalten von Statorwicklungen kann so der Rotor Schritt für Schritt weiterbewegt werden.

Erregungsschema:
AB – CD – BA – DC
(AB und BA = Erregung des Elektromagneten mit den Polen A und B; CD und DC = Erregung des Elektromagneten mit den Polen C und D; dabei bedeuten AB / BA und CD / DC jeweils die entgegengestezten Polungen).

Vollschrittbetrieb Zweiphasensteuerung.
Alternativ dazu kann man jeweils zwei benachbarte Pole des Stators so erregen, das der Rotor durch die resultierenden Magnetkräfte in der Mitte zwischen beiden Spulen gehalten wird .Das ist die bevorzugte Betriebsweise, die das höchste Drehmoment ergibt.
Erregungsschema : AB/CD – BA/CD – BA/DC – AB/DC.
Der Halbschrittbetrieb
Der Halbschrittbetrieb ergibt sich aus der Kombination der beiden zuvor beschriebenen Betriebsweisen (sie wechseln sich zyklisch nacheinader ab). Damit kann der Schrittwinkel halbiert werden.
Erregungsschema: AB – AB/CD – CD – BA/CD – BA – BA/DC – DC – AB/DC.
Schrittmotor Bipolar
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Schrittmotoren Bipolare und Unipolare .Der Bipolare hat zwei Wicklungen und damit vier Anschlüsse
Bipolare Schrittmotoren haben nur zwei Phasen. Das Umpolen der Magnetfelder wird durch Umpolen der Stromrichtung erreicht. Da zwei Elektromagnete umzupolen sind, braucht man zwei Brückenschaltungen mit Leistungsbauelementen. Der Vorteil: Man kann den verfügbaren Wickelraum voll ausnutzen, also hinreichend dicken Draht verwenden und so durch entsprechende Ströme ein hohes Drehmoment erreichen. Anders herum gesehen: für ein gefordertes Drehmoment kommt man mit einem kleineren Motor aus. Ein bipolarer Motor hat 30...40% mehr Drehmoment als ein gleich großer unipolarer Motor . Durch Einsatz integrierter Leistungsschaltungen wird der Aufwand erträglich. Deshalb werden bipolare Schrittmotoren in den meisten Einsatzfällen bevorzugt.
Schrittmotor Unipolar

Der Unipolare Motor besitzt auch zwei Spulen,allerdings hat jede Spule noch eimal einen Mittelabgriff und somit hat der Motor 6 Anschlüsse

Unipolare Schrittmotoren haben vier Phasen. Sie werden in nur einer Richtung vom Strom durchflossen. Jeder der beiden Elektromagnete besteht aus zwei Phasen, deren Wicklungen jeweils entgegengesetzten Wickelsinn haben. Wird die eine Phase erregt, hat der Elektromagnet beispielsweise die Polung N – S, wird die andere erregt, die Polung S – N . Die Ansteuerung ist vergleichsweise einfach, da der Stromfluß nur ein- und auszuschalten, nicht aber umzupolen ist. Man kommt deshalb mit einfachen Leistungsstufen aus (beispielsweise mit vier einzelnen Darlington-Transistoren oder einem Vierfach-Darlington-Array). Der Nachteil: bei gegebenen Abmessungen des Motors ist das Drehmoment geringer, da jeweils nur der halbe Wickelraum (also die Hälfte der insgesamt untergebrachten Windungen) zur Erregung genutzt werden kann (mit anderen Worten: die Wicklungen müssen mit dünnerem Draht ausgeführt werden, woraus sich eine entsprechende Beschränkung der maximalen Stromstärke ergibt).
Daten eines Schrittmotors
Nennstrom
Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung).
Haltemoment
Bis zu diesem Moment kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.
Schrittwinkel
Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.
Nennspannung
Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. .
Anschlussbelegung
Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt.

So sehen die Daten auf einem Motor aus
  • Nennspannung: 5,1 V
  • Phasenstrom: 1,0 A
  • Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
  • Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
  • Haltekraft: ca. 50 Ncm
  • Wellendurchmesser: 6 mm

 

Übersichtplan
Ein Übersichtplan für eine Standardansteuerung eines Schrittmotors , auf der linken Seiten die Steuerlogik ( L297 ) und die beiden Bauteile auf der rechten Seiten sind die in einem Gehäuse vereinten Treiberbausteine (L298)
Controllerf
Der Motortreiber
Was ist ein Motortreiber ?

Treiber benötigt man immer nur dann wenn die Last einen höheren Strom benötigt als z.B. meine Steuerung liefert. Wenn ich wie hier verwendet einen Motor über einen Mikroprozessor steuern möchte, der Mikroprozessor aber nur einen maximalen Strom von 20 mA liefern kann , mein Motor aber 300 mA zieht, würde mein Prozessor in die ewigen Jagdgründe einziehen wenn ich ihn direkt am Mikroprosessor anschließen würde. Also schalte ich zwischen Mikroprozessor und Motor einen Baustein der mit einem relativ kleinen Strom gesteuert wird aber am Ausgang einen größen Strom liefern kann .( praktisch einen Verstärker)
Ist in etwa so wie wenn man 230V mit einem kleinen Mikroschalter schalten wollte. Das geht nicht direkt, sondern nur indem man mit diesem Schalter einen wesentlich größeren Schalter (ein Relais z.B.) bedient.

Um einen Schrittmotor oder auch Steppermotor ( aus dem englichen Step = Schritt ) mit dem Atmega 32 anzusteuern benötigen wir also einen  Treiber .

uuu
oDatenblatt Motortreiber L 298 Datenblatt L298 
Der Controller
hhDatenblatt Motor Controller L 297 Motorcontroller L297
Pin
Bezeichnung
Beschreibung
1 Sync Wird nicht benutzt noch in Bearbeitung
2 Masse Masse  
3 Home Wird nicht benutzt noch in Bearbeitung
4 A   noch in Bearbeitung
5 INHI_   noch in Bearbeitung
6 B   noch in Bearbeitung
7 C   noch in Bearbeitung
8 INHI   noch in Bearbeitung
9 D   noch in Bearbeitung
10 Enable   noch in Bearbeitung
11 Control   noch in Bearbeitung
12 Vs   An Vs kann man jede Sapnnung bis zu 36 V anlegen, je höher desto besser für Schrittmotoren.Die Mindestspannung liegt bei 5 V , allerdings ist das in der Praxis meist zu wenig. Also 12 V sollten es schon sein wenn man wirklich was bewegen möchte .
13 Sens 2  

Die Sense-Eingänge beim L297 messen den Strom über den dicken Widerstand Rs. Das wird
gebraucht um den Strom zu begrenzen, daher kann ja auch jede beliebige Spannung bis 36 V selbst
für Motoren mit Nennspannungen von 3 oder 4 V benutzt werden.
Also wenn nur eine geringe Spannung zur Verfügung steht dann sollte in jedem Fall ein Motor mit ganz niedriger Nennspannung, möglichst 2 V, verwendet werden.

Der gesamte Motorstrom fließt durch Rs. Dadurch fällt an Rs (nach dem ohmischen Gesetz) eine Spannung ab die vom Motorstrom abhängig ist. Den Sense Eingang kann man sich als eine Art Analog-Digital Wandler vorstellen. Der L297 mißt also die abfallende Spannung und kann dadurch den Strom errechnen. Wenn der Strom zu hoch wird, dann wird dieser begrenzt. Genau genommen steuert der L297 den Motortreiber mit Pulswellenmodulation an . Wenn also der Strom zu hoch wird, dann wird die Impulsfolge in der der Motor eingeschaltet ist verkürzt (genau genommen Low/High Verhältnis). Aber darum muss man sich bei der Schaltung keine nähere Gedanken machen.Die Stromregelung beim Schrittmotor ist sehr wichtig, weil im Gegensatz zum herkömmlichen Gleichstrommotor, der Schrittmotor meist auch unter Spannung steht wenn er sich nicht dreht. Er wird Quasi elektrisch gebremst wenn er steht. ( zu vergleichen mit einer Handbremse beim Auto)

14 Sens 1  
15 Vref  
noch in Bearbeitung

16 OSC    
17 CW/CCW Dieser Anschluß wird nur benutzt wenn der Motor seine Drehrichtung ändern soll. Dann auf Masse legen.
18 Clock Hier wird der Takt für den Motor angelegt, wird in diesem Fall vom Atmega 32 geliefert, geht aber auch mit jedem anderen Taktgenerator
19 Half/ Full   noch in Bearbeitung
20 Reset Sollte auf High liegen ( also Positive Versorgungsspannung der IC's ), nicht zwingend notwendig
 
 
Anschlußplan
Hier der Schaltplan um einen Schrittmotor mittels eines Steuer IC's ( L297) auch Controller genannt und einen Treiber IC( L298) anzusteuern

Die Dioden haben 2 Funktionen: einmal als Schutz vor Induktionsspannungen und dann um den Strom in den PWM (Pulsweitenmodulation )Ausphasen weiter fließen zu lassen. Die Dioden sollten wenigstens den Motorstrom vertragen können,außerdem sollten sie sehr schnell sein. Wenn die Spannungen nicht zu hoch sind, kann man auch gut Schottkydioden nehmen, die sind auch sehr schnell z.B. MBR360 . Im der hier vorgestellten Schaltung benutze ich 1N4007 sind eigentlich von der Schaltgeschwindigkeit zu langsam, bis jetzt habe ich aber noch keine Nachteile erkennen können.Auch die billigen 1N4148 sind möglich halten allerdings nur 100 mA aus.

Die Widerstände R2 und R3 messen den Motorstrom und geben die Messdaten ans Steuer IC zurück, um damit den Strom zu begrenzen.
 
 
 
 
Die Taktfrequenz sollte nicht zu hoch gewählt werden , weil einerseits die Mechanik aufgrund der Massenträgheit nicht schnell genug mitkommt, und andererseits
die Magnetspulen eine gewisse Zeit benötigen um sich zu Magnet und Entmagnetisieren.
Die Taktfrequenz sollte man an einigen Beispielen selber ermitteln, sollte sich die Frequenz im oberen Bereich befinden , wird sich der Motor möglicherweise noch drehen aber das Drehmoment verringert sich weil der Magnet der verlassen wird noch einen Restmagentismus aufweist, und der Folgemagnet aufgrund der Kürze der Zeit seinen vollen Magnetismus nicht mehr rechtzeitig aufbauen kann.
In meinem Beispiel funktionierte es noch ganz gut mit 250 Hz allerdings hab ich öfter schon gelesen das sie ohne Belastung auch bis 4Khz funktionieren sollen.
 
Motor

 

Schrittmotor

Unipolarer Schrittmotor mit 5 V- Betriebsspannung und 7,5 ° Schrittwinkel (48 Schritte). Strangwiderstand 6,5 . Wellenlänge 10 mm, Wellen-ø 4 mm, Ritzel mit 20 Zähnen. Kabellänge 400 mm, Maße (øxH) ohne Welle: 55x28 mm.
Typ 55SPM25D6G

Schrittmotor mit Schalter steuern
Der Schrittmotor enthält zwei Spulen und einen drehbar gelagerten Magneten. Oft hat jede Spule noch eine Mittenanzapfung. Dann kann man den Schrittmotor mit vier Tastschaltern betreiben. Drückt man die in der richtigen Reihenfolge, dann dreht sich der Anker in kleinen Schritten weiter.
Schrittmotor mit Wechselspannung steuern
Aber es geht auch anders. Der Aufbau erinnert etwas an den eines Synchronmotors mit vier statt drei Phasen. Also muss er auch mit Wechselstrom zum Drehen zu bewegen sein. Man braucht nur noch einen Kondensator zur Phasenverschiebung. Die Wahl des Kondensators richtet sich etwas nach dem Widerstand der Spulen. Der kapazitive Widerstand bei 50 Hz soll etwa gleich dem Spulenwiderstand sein. Bei 75 Ohm macht das ca. 42 Mikrofarad. Es kommt aber nicht so genau darauf an. Wenn man Elkos einsetzen möchte, sollten zwei doppelt so große gegeneinander geschaltet werden, und man sollte solche mit einer hohen Spannungsfestigkeit wählen.
Am besten geht es mit einem Umschalter mit Mittelstellung. Damit kann man den Motor in zwei Drehrichtungen anschalten. Ein üblicher Schrittmotor mit 200 Schritten pro Umdrehung hat bei 50 Hz übrigens genau eine Umdrehung pro Sekunde.
Manche Schrittmotoren haben fünf Anschlüsse. Dann sind beide Mittelanzapfungen der Spulen an einem Kabel angeschlossen. Welche Kabel soll man verwenden? Das ist bei jedem Typ anders und kann nur ausprobiert werden. Manche Motoren laufen gut, wenn man nur drei Anschlüsse verwendet. Auch mit größeren und kleineren Kondensatoren kann man experimentieren, bis der Motor schön rund läuft.
Schrittmotor als Generator
Beim Routieren des Motors ensteht abwechselnd eine Spannung erst in Spule eins dann in Spule zwei, die so erzeugte Spannung wird mittels Brückengleichrichter gleichgerichtet und mit dem Kondensator gepuffert, je nach Motor bzw. höhe der Spannung werden die Vorwiderstände 22K und 390 ausgewählt.
Möglich ist es auch nicht einen Elko sondern einen GoldCap einzusetzen, allerdings verträgt der keine so Hohe Spannung und muss evtl. durch eine Zenerdiode geschützt werden.
Datenblätter
          steppermotordriver  
          treiber 2  
             
Tips und Tricks
  • Wenn man kein Geld ausgeben möchte für Schrittmotoren , so findet man in alten ausrangierten Diskettenlaufwerke kleine Schrittmotoren ( meist 12 Voilt)
  • Mit dem Motortreiber L298 kann man nicht nur Schrittmotoren steuern sondern auch ganz normale Gleichstrommotore.
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