11.08.2016

Eine Einf√ľhrung in Schrittmotoren

Der Schrittmotor wurde urspr√ľnglich entwickelt, um die F√§higkeit elektronischer Systeme weiter auszubilden, auf die reale Welt einzuwirken und einen h√∂heren Grad an Kontrolle √ľber mechanische Systeme zu bieten. Die Schl√ľsselspezifikationen f√ľr die Entwicklung zielten auf einen kosteng√ľnstigen Motor mit geringen Abmessungen ab, der die pr√§zise Bewegungssteuerung leistet, welche f√ľr Produkte wie Scanner und Drucker, Geldautomaten, Plattenlaufwerke, Bandlaufwerke, Kameras und andere kleine Elektroger√§te erforderlich ist.



 

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Bei der Entwicklung des Schrittmotors mussten drei Herausforderungen gemeistert werden: 

  1. F√ľr den Rotor waren kleine und starke Permanentmagnete erforderlich
  2. Leistungshalbleiterbausteine wurden benötigt, um die elektromagnetischen Spulen ein- und auszuschalten
  3. Eine intelligentere Elektronik musste entwickelt werden, um die Schalter mit dem richtigen Timing und in der gew√ľnschten Abfolge ansteuern zu k√∂nnen.

 

Funktionsweise des Schrittmotors

F√ľr das Verst√§ndnis der Funktionsweise eines einfachen Schrittmotors ist es hilfreich, die enge Verbindung zu seinem Vorl√§ufer, dem b√ľrstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor), zu verstehen. BLDC-Motoren sind rotorseitig mit Permanentmagneten ausgestattet. Die Magneten richten den Rotor zu am Umfang des Stators angeordneten Elektromagneten aus, wenn diese mit Strom versorgt werden. Der Rotor kann dann bewegt werden, indem der Stromfluss durch die Elektromagnete umgekehrt wird oder einige der Elektromagnete ein- und ausgeschaltet werden. Der Rotor dreht sich, wenn die Stromumkehrung oder die Schaltsequenz rotatorisch abl√§uft. Die Geschwindigkeit der Drehbewegung kann durch √Ąndern der Schaltfrequenz erh√∂ht oder verringert werden.

 

Abbildung 1: BLDC-Motorwicklung (Quelle: Texas Instruments)

Diese Beziehung zwischen den station√§ren Elektromagneten des St√§nders und den Permanentmagneten des Rotors stellt auch das Grundprinzip f√ľr den Permanentmagnet-Schrittmotor dar. Neben dieser Grundversion des Schrittmotors gibt es weitere Ausf√ľhrungen. Bei einer dieser Ausf√ľhrungen, dem Hybridmotor, werden die Eigenschaften von Reluktanz- und Permanentmagnet-Schrittmotor kombiniert. Der Hauptunterschied zwischen dem Schrittmotor und dem BLDC-Motor besteht darin, dass die Permanentmagneten (Pole) im Rotor auf eine Anzahl zwischen 12 und 200 (Aufl√∂sung 30o bzw. 1,8o) erh√∂ht werden. Je mehr Pole ein Schrittmotor hat, desto besser ist seine Aufl√∂sung um die Drehachse, allerdings kosten mehr Pole nicht nur mehr Geld, sondern auch Drehmoment.

 

Obwohl BLDC- und Schrittmotoren auf demselben grundlegenden Funktionsprinzip beruhen, sind Schrittmotoren f√ľr gew√∂hnlich sehr viel komplexer. Die zus√§tzlichen Pole des Schrittmotors bedeuten, dass der Rotor in vorhersagbaren Stufen schrittweise verfahren werden kann. Der Schrittmotor kann seine Drehstellung auch halten, solange die Elektromagnete eingeschaltet sind. W√§hrend sich der BLDC-Motor besser f√ľr durchg√§ngige Drehbewegungen eignet, kann der Schrittmotor richtig gl√§nzen, wenn es darum geht, zu einem pr√§zisen Winkel zu drehen oder eine genaue Position zu halten. Der Schrittmotor ist sehr viel flexibler in der √Ąnderung der Drehbewegung. Er kann schnell zu einem spezifischen Winkelwert drehen, anhalten, weiterdrehen oder bei Bedarf sogar die Drehrichtung √§ndern.

 

Diese F√§higkeit erm√∂glicht es, den Schrittmotor zusammen mit elektromechanischen Baugruppen wie einem Getriebezug einzusetzen, um eine Rotation in eine lineare Bewegung umzuwandeln. Die Kombination dieser beiden Teile stellt die Grundlage einer Maschine f√ľr die Ausf√ľhrung einer Anwendung dar, wie zum Beispiel die Bewegung eines Druckkopfs.

 

Aufgrund der Funktionsweise des Schrittmotors sollte der Drehwinkel durch die Schaltung der Wicklungen und die daraus resultierende Winkellage des Rotors immer bekannt sein. So kann der Schrittmotor r√ľckf√ľhrungslos gesteuert werden. W√§hrend dies theoretisch funktionieren kann, gibt es in der Praxis allerdings Situationen, in denen Rotor und Antrieb nicht synchron zueinander laufen, zum Beispiel bei Problemen mit dem Triebstrang oder der Last. Deswegen wird bei Schrittmotoranwendungen der Regelkreis normalerweise mithilfe eines Sensors geschlossen, der die Istlage des Rotors erfasst. Es gibt auch einen Reset-Modus, bei dem die Last zu einer bekannten Nullstellung gefahren und das System auf Null gesetzt wird.

 

Die Wicklungsart bei Schrittmotoren ver√§ndert sich in Abh√§ngigkeit zur entsprechenden Antriebs- bzw. Ansteuerungstopologie. Die zweiphasige Ausf√ľhrung ist der h√§ufigste Ansatz und es kommen im Allgemeinen zwei Arten von Wicklungen zum Einsatz ‚Äď unipolare und bipolare. Jeder Ansatz hat seine Vor- und Nachteile, je nach Anforderungen, Gr√∂√üe, Gewicht, etc.

 

Abbildung 2: Die Pole eines schrittweise drehenden Motors können gewickelt sein als (a) unipolare Wicklung mit Mittelabgriff, wodurch sich das Feld durch Einschalten der einen und Ausschalten der anderen Wicklung umkehren lässt, oder als (b) bipolare Wicklung, bei der das Feld durch Umkehrung der Stromrichtung umgekehrt wird (Quelle: ON Semiconductor)

Der unipolar angesteuerte Schrittmotor hat pro Phase eine Wicklung mit Mittelabgriff. Um die Richtung des Magnetfelds zu √§ndern, wird ein Zweig der Wicklung eingeschaltet. Diese Wicklungsart erlaubt die Umkehr des magnetischen Pols, ohne die Stromrichtung zu √§ndern. F√ľr diese Topologie kann schon ein einzelner g√ľnstiger Transistor f√ľr die Kommutierungsschaltung ausreichen. Bei dieser Verdrahtung sind f√ľr jede Phase drei Leiter n√∂tig, aber die Mittelanzapfungen k√∂nnen zusammengelegt werden, sodass der Motor insgesamt f√ľnf Kabel hat.

 

Bei einem bipolar angesteuerten Motor muss die Stromrichtung ge√§ndert werden, um die Polarit√§t umzukehren, da es pro Phase nur einen Wicklungsstrang gibt. Dies erfordert eine sehr viel aufwendigere Steuerschaltung, normalerweise in Form einer H-Br√ľcke. Bei dieser Konfiguration gibt es keine gemeinsam genutzten Leiter, sondern f√ľr jede Phase sind zwei Leiter erforderlich. Das Resultat sind je nach gew√§hlter Konfiguration insgesamt sechs oder acht Leiter.

 

Bei einer unipolaren Anordnung wird jeweils nur eine Hälfte der Wicklungen genutzt. Dies bedeutet im Vergleich zu bipolaren Wicklungen höhere Kupferkosten und ein niedrigeres Leistung-zu-Gewicht-Verhältnis bei größeren Abmessungen. Andererseits sind bipolare Ansteuerschaltungen, wie bereits erwähnt, wesentlich aufwendiger. Heutzutage werden vorwiegend Schrittmotortreiber-ICs verwendet, was diesen Aspekt bei der Auswahl von Wicklung und Schrittmotor fast vergessen lässt.

 

Microstepping

Eine sehr preiswerte Methode zur Verbesserung der Schrittmotorfunktion ist das Microstepping. Die Steuerung des Microstepping kann recht komplex sein. Daher sollte eine √úberwachungsfunktion vorhanden sein, um dieses Verfahren umzusetzen.

 

Am Anfang des Artikels haben wir erl√§utert, wie die einzelnen Pole des Schrittmotors schnell ein- und abgeschaltet werden k√∂nnten, was die Drehgeschwindigkeit und Position des Rotors steuert und wie der Rotor in seiner Stellung gehalten werden kann, wenn ein Pol eingeschaltet bleibt. Dieses Prinzip kann einen Schritt weiter in ein Verfahren √ľberf√ľhrt werden, das Halbschritt genannt wird. Beim Halbschritt werden benachbarte Pole teilweise angesteuert, wodurch der Rotor gezwungen wird, in der Mitte zwischen beiden Polen anzuhalten, und so die Anzahl der m√∂glichen Schrittpositionen verdoppelt wird. Microstepping verfeinert diese Methode durch Anwendung sinusf√∂rmiger oder rampenartiger Signale f√ľr das Schalten des Stroms. Das bedeutet, dass es bei der Erregung und Entregung von Polen eine bekannte und steuerbare √úberlappung gibt, die viel mehr Schrittpositionen erm√∂glicht.

 

Microstepping bietet gegen√ľber herk√∂mmlichen Schrittmotoren zwei Vorteile: der Motor l√§uft gleichm√§√üiger, wodurch sich Probleme durch Rastmoment und Resonanz quasi erledigt haben, und die Schrittaufl√∂sung kann durch die F√§higkeit erh√∂ht werden, den Rotor zwischen den Polen anzuhalten. Allerdings hat das Microstepping den Nachteil, dass sich das verf√ľgbare Drehmoment um bis zu 30 % verringern kann.

 

Spezifikation eines Schrittmotorsystems

Normalerweise werden zuerst die Anforderungen an den Motor definiert, indem der potenzielle Motor auf die anzutreibende Last und die zu erwartende Beanspruchung abgestimmt wird. Von da aus arbeitet der Entwickler r√ľckw√§rts, um einen Treiber zu finden, der f√ľr die Anforderungen sowohl der Anwendung als auch des Motors geeignet ist. Mechanische und elektrische Parameter stehen zwar oft im Zusammenhang, k√∂nnen aber durchaus einzeln betrachtet werden.

 

Gr√∂√üe, Gewicht, Befestigung und Schrittwinkel sind einige der mechanischen Faktoren, die bei der Spezifizierung von Motoren ber√ľcksichtigt werden sollten. Es gibt viele verschiedene Standardgr√∂√üen und -befestigungen, was den Designer in die Lage versetzt, Motoren anderer Anbieter als Zweitbeschaffungsquelle zu nutzen. Ein weiterer wichtiger Punkt, den es zu ber√ľcksichtigen gilt, ist die Massentr√§gheit des Rotors, weil sie die maximale positive und negative Beschleunigung bei voller Ansteuerung bestimmt. Beispiele f√ľr andere mechanische Eigenschaften, die bei der Auswahl des geeignetsten Motors eine Rolle spielen sollten, sind Ma√ütoleranzen sowie axiales und radiales Spiel im Rotor.

 

Das Haltemoment des Rotors und das Drehmoment-zu-Drehzahl-Verh√§ltnis sind weitere Parameter, die Hersteller nennen. Gleichstromwiderstand und Induktanz h√§ngen von der Auslegung der elektromagnetischen Wicklungen ab. Der Treiber verwendet diese Messgr√∂√üen, um die f√ľr die Ansteuerung erforderlichen Spannungs- und Stromwerte zu bestimmen.

 

Die Hersteller von Halbleiter-ICs haben die meisten Schwierigkeiten bei der Ansteuerung eines Schrittmotors bereits gel√∂st. Ein moderner IC kann s√§mtliche Funktionen darstellen, die zur Ansteuerung eines kleineren Motors erforderlich sind, und braucht die externen FETs lediglich f√ľr gr√∂√üere Motoren. Zu diesen Funktionen geh√∂rt die Ausbildung der Wellenform, Spulenansteuer-FETs, Schutz, Taktung/Timing und Treiber f√ľr externe FETs.

 

Abbildung 3: Beim Microstepping setzt sich die Stromansteuerung aus einer Reihe an kleinen Schritten in einer sinusähnlichen Verlaufsform zusammen. Dies resultiert sowohl in gleichmäßigerer Rotordrehung als auch in der Fähigkeit, Schrittpositionen zwischen den Polen einzurichten und so eine bessere effektive Winkelauflösung zu erreichen, als es nur anhand der Polanzahl möglich wäre (Quelle: Texas Instruments)

Ein Beispiel aus der echten Welt der Schrittmotortreiber-ICs in Halbleitertechnik ist der DRV8711 von Texas Instruments. Dieser bipolare Schrittmotortreiber wurde f√ľr die Steuerung eines Schrittmotors √ľber die Ansteuerung externer MOSFETs konzipiert. Ein Host-Mikrocontroller ist mit dem DRV8711 verbunden, damit der Designer Spezifikationen wie das Profil des Treibers, MOSFET-Steuerstrom, Schrittmodus und 1/256-Mikroschritteinteiler bestimmen kann. Der IC kann die in H-Br√ľcke konfigurierten MOSFETs ansteuern, bietet Schutz vor √úberhitzung und √úberstr√∂men sowie Stillstandserkennung und Meldung bei Gegen-EMK.

 

Zur Unterst√ľtzung des Entwicklungsprozesses werden von fast allen Herstellern von Halbleiterbauteilen Evaluationsboards und Referenzdesigns angeboten. Mit dem Evaluierungskit LV8714TAGEVK von ON Semiconductor k√∂nnen Entwickler den Schrittmotortreiber LV8714TA des Unternehmens vor der Verwendung testen. Der dual ausgelegte Schrittmotortreiber kann zwei Schrittmotoren unabh√§ngig voneinander √ľber vier H-Br√ľcken-Kan√§le ansteuern und ist f√ľr Anwendungen wie Sicherheitskamerasysteme und Multifunktionsdrucker vorgesehen. Er √ľberzeugt durch √§u√üerst niedrigen Stromverbrauch im Standby und eingebauten Systemschutz. Das Evaluierungskit ist mit allem ausgestattet, was es braucht, um ‚Äěout of the box‚Äú L√∂sungen zu finden: PC-basierte Software, Kabel und zwei Motoren.

 

Die Schrittmotortreiberstufe kann vollst√§ndig umgangen und der Mikrocontroller f√ľr die Steuerung des Schrittmotors genutzt werden, der die System-MOSFETs dann direkt √ľber die Digitalausg√§nge des Mikroprozessors ansteuert. Diese Strategie erfordert einen Mikrocontroller, der bereits auf Steueranwendungen hin optimiert worden ist und dar√ľber hinaus noch √ľber gen√ľgend Leistungsreserve f√ľr den normalen Betrieb des Mikroprozessors verf√ľgt.

 

F√ľr Designer, die diesen Weg nehmen, ist es wichtig zu wissen, woher die Steueralgorithmen kommen und wie sie getestet worden sind. Ebenso sind Motoren anf√§llig f√ľr Soft- und Hard-Faults. Beim Entwurf der eingebetteten Software muss diese Tatsache ber√ľcksichtigt werden. Es gibt Mikrocontroller auf dem Markt, die von Grund auf entwickelt worden sind, um die erforderliche Zuverl√§ssigkeit zu haben, den Code f√ľr die Motoransteuerung unter allen Umst√§nden ausf√ľhren zu k√∂nnen.

 

Bei Herstellern, die den oben √∂√∂Prozessoransatz bieten, gibt es ebenfalls Designsupport, zu dem neben Entwicklerboards und Softwarebibliotheken auch Beispielcode geh√∂rt. Einige Hersteller bieten sowohl eingebettete Treiber als auch Prozessoren und versetzen den Designer so in die Lage, die optimale Methode f√ľr jede einzelne Anwendung bewerten zu k√∂nnen.


 


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