Was ist überhaupt ein Schrittmotor und wo liegt der Unterschied zu einem normalen Motor
Oft verwendet man in Rechnergesteuerten 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, damit ist man in der Lage zu erkennen ob ein 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, die auf der gesammten Wegstrecke einzelne Impulse abgeben.
Die Impulse werden dann mitgezählt und an Hand ihrer Menge wird die zurückgelegte Strecke berechnet .
Dies ist im einfachsten Fall eine sich drehende Lochscheibe
die mittels einer Gabellichtschranke abgefragt wird .
Um diese
Informationen als Positionsangaben 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
mitzählen 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 Statorwicklung 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 weichmagnetischen Werkstoff gefertigt oder als
Dauermagnet ausgeführt .
Die Anzahl der magnetischen Pole des Rotors
bestimmt den Drehwinkel des einzelnen Schrittes (Schrittwinkel,
Auflösung).
Ein typischer Schrittwinkel sind 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.
Reluktanzmotor
wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor 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 Seltene Erdenmagnete verwendet
werden.
So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.
Typische
Anwendungsgebiete für Schrittmotoren sind Drucker, 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 .
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).
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.
Damit kann der Schrittwinkel halbiert werden.
Erregungsschema: AB – AB/CD – CD – BA/CD – BA – BA/DC – DC – AB/DC.
Der Unipolare Motor besitzt auch zwei Spulen,allerdings hat jede Spule noch eimal einen Mittelabgriff und somit hat der Motor 6 Anschlüsse
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).
- 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 umso 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.
- 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
Auf der linken Seiten die Steuerlogik ( L297 ) und die beiden Bauteile auf der rechten Seiten sind die in einem Gehäuse
vereinten Treiberbausteine (L298)
Treiber
benötigt man immer nur dann wenn die Last einen höheren Strom benötigt
als z.B. meine Steuerung liefert.
Wenn ich wie hier den
Motor über einen Mikroprozessor steuern möchte, der Mikroprozessor aber
nur einen maximalen Strom von 20 mA liefern kann
und 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 .
Datenblatt Motortreiber L 298
Datenblatt Motor Controller L 297 | 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 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 | |
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
allerdings verträgt der keine so hohe Spannung und muss evtl. durch eine Zenerdiode geschützt werden.
- Wenn man kein Geld ausgeben möchte für Schrittmotoren , so findet man in alten ausrangierten Diskettenlaufwerke kleine Schrittmotoren ( meist 12 Volt)
- Mit dem Motortreiber L298 kann man nicht nur Schrittmotoren steuern sondern auch ganz normale Gleichstrommotore.