Der Schrittmotor

Elektrische Antriebe
und Anlagen
Kapitel 9:
Der Schrittmotor
5.Jhrg
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Schrittmotor
Eigenschaften:
• speziell für Stellaufgaben konstruierte elektrische Maschine kleiner Leistung,
die definierte Schritte (Schrittwinkel α=0.36...180°) ausführt
• werden zur schnellen und exakten Positionierung eingesetzt
• werden mit Wechselrichter gespeist (sprungf. umlaufendes Magnetfeld)
Vorteile:
• kostengünstig für kleine Vorschubgeschwindigkeiten
• hohe Positioniergenauigkeit
• Steuerung (keine Regelung Î kein Positions-Messsystem notwendig)
Nachteile:
• begrenzter Drehzahlsprung (Start-Stop-Frequenz)
• kleine Leistung
• kein schneller Eilgang
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Schrittmotor - Aufbau
Aufbau:
- grundsätzlich Aufbau wie Synchronmotor
(Außertrittfallen bei zu großer Last)
- Arbeitsweise nach dem Reluktanzprinzip oder mit permanenter Erregung
Ständeraufbau:
1. mit ausgeprägten Zähnen und jeweils eigener Wicklung pro Zahn
(mindestens drei Wicklungen für eine eindeutige Drehrichtung)
2. Klauenpoltyp (Ringspule im Umfang und abwechselnd Zähne mit
elektrisch erregten N- & S-Polen)
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Läuferaufbau - drei Grundtypen
Reluktanztyp (VR-Schrittmotor):
• unerregter Läufer, nur magnetische Vorzugsrichtung
(Zähne und Nuten)
• Die Zähnezahl im Läufer ist ungleich der Zähnezahl
im Ständer
• VT: einfacher Aufbau, kostengünstig
• NT: geringes Drehmoment, kein Rastmoment,
geringer Wirkungsgrad
Permanentmagnettyp:
• zylindrischer, permanenterregter Läufer mit radialer
Magnetisierung
• VT: große Haltemomente
• NT: große Schrittwinkel (nur begrenzte Anzahl von
Polen nebeneinander möglich)
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Läuferaufbau - drei Grundtypen
Hybridtyp (Hybridschrittmotor):
• axial magnetisierter Läufer, der von zwei gezahnten
Polkappen umschlossen ist
• beide Polkappen sind um eine halbe Polteilung
verdreht, so dass sich immer ungleichnamige Pole
anziehen
• VT: vereint die VT von Reluktanz- & PermanentmagnetSchrittmotoren
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Läuferaufbau - drei Grundtypen
Hybridtyp (Hybridschrittmotor):
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Steuerverfahren
Ansteuerung der Ständerwicklungen:
• mit Spannungsblöcken (unipolar oder bipolar), eventuell mit Vorwiderständen zur Verringerung der el. Zeitkonstante
• mit Stoßerregung, um den Stromanstieg zu beschleunigen
• mit erhöhter Spannung und Strom-Regelung Î höchstes Drehmoment
(schnellsten Stromanstieg)
• niedrigere Startfrequenz fA0max, Start-Stopp-Betrieb möglich
• Betriebsfrequenz fB0max für kontinuierlichen Betrieb
• meist gesteuerter Betrieb, jeder Puls wird in einen Winkelschritt umgesetzt!
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Unipolar
Ansteuertechniken:
Unipolar- & Bipolarbetrieb
Unipolare Erregung:
• einfache Ansteuerung
• am Mittelabgriff der Spule liegt die Versorgungsspannung fest an, es wird
abwechselnd immer ein Spulenende
nach Masse geschaltet (oder umgek.)
• geringer Schaltungsaufwand
• in älteren Ausführungen bevorzugt
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Bipolar
Ansteuertechniken: Unipolar- & Bipolarbetrieb
Bipolare Erregung:
• Spulen werden mit einer H-Brücke für jede Motorwicklung mit bipolaren
Transistoren und Freilaufdioden umgepolt
• relativ hoher Schaltungsaufwand
• in modernen Ausführungen bevorzugt
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Vollschrittbetrieb
Vollschrittbetrieb (Normalbetrieb – Bsp. unipolar):
• es werden immer zwei nebeneinander liegende Spulenpaare gleichzeitig
bestromt. Es ergeben sich vier unterschiedliche Schrittpositionen pro Polpaar
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Phasen
Schritt A B C D
3
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1
+
0 0
+
2
+
0 + 0
3
0
+ + 0
4
0
+ 0
+
5
+
0 0
+
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Vollschrittbetrieb
Vollschrittbetrieb (Wavedrivebetrieb – Bsp. unipolar):
• es wird immer nur ein Spulenpaar bestromt.
Die Leistungsaufnahme und damit auch das
Drehmoment sind im Vergleich zum Normalbetrieb geringer.
• die resultierenden vier Schrittpositionen liegen
zwischen denen des Normalbetriebes.
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Vollschrittbetrieb
Schrittwinkel im Vollschrittbetrieb:
Schrittzahl (p..Polpaarzahl, m..Ständersysteme):
Schrittwinkel:
Bsp.9.1: Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau
eines hybriden Schrittmotors. Der graue Rahmen stellt
einen Teil des Blechpaketes dar. Die grünen
Wicklungen stehen symbolisch für die Ständerwicklungen zu den Polen. In der Mitte befindet sich der
gelbe Permanentmagnet mit den weichmagnetischen
gezahnten Rotorscheiben in Rot und Blau. Wie groß ist
der Schrittwinkel?
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Halbschrittbetrieb
Halbschrittbetrieb:
• Kombination aus Normal- und Wavedrive-Betrieb. Es wird wechselweise
eine bzw. zwei Spulen bestromt.
• Î 8 Schrittpositionen / der physikalische Schrittwinkel wird halbiert
Mikroschrittbetrieb:
• die in beiden Ständerwicklungen fließenden Ströme werden gegenseitig
abgestuft Î Sinus
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Voll- & Halbschrittbetrieb
Halb- & Vollschrittbetrieb nochmals im Vergleich:
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Treiber-Bausteine
direkte Ansteuerung (div. H-Brücken):
• L293D (0.6 bzw. 1A)
• L6205N (2.8A)
Anst. mittels Treiber-Bausteine (L297 & L298):
Ansteuerung für Mikrostepping-Betrieb:
• Microstepping-Chipsatz von Ericsson (BPM3960 & PBL3771)
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Quellenverzeichnis
• Elektronische Messdatenverarbeitung, Klaus Betzler, Universität Osnabrück
• Rummich, Erich; Ebert, Hermann; Gförer, Ralf; Traeger, Friedrich:
Elektrische Schrittmotoren und –antriebe Kontakt & Studium, Band 365,
Technische Akademie Esslingen, 3. Auflage, expert verlag,
D-71272 Renningen, 1992
• Wolfgang Back, Der Schrittmotor
• http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Schrittmotoren
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