11.08.2016

Eine EinfĂŒhrung in Schrittmotoren

Der Schrittmotor wurde ursprĂŒnglich entwickelt, um die FĂ€higkeit elektronischer Systeme weiter auszubilden, auf die reale Welt einzuwirken und einen höheren Grad an Kontrolle ĂŒber mechanische Systeme zu bieten. Die SchlĂŒsselspezifikationen fĂŒr die Entwicklung zielten auf einen kostengĂŒnstigen Motor mit geringen Abmessungen ab, der die prĂ€zise Bewegungssteuerung leistet, welche fĂŒr Produkte wie Scanner und Drucker, Geldautomaten, Plattenlaufwerke, Bandlaufwerke, Kameras und andere kleine ElektrogerĂ€te erforderlich ist.



 

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Bei der Entwicklung des Schrittmotors mussten drei Herausforderungen gemeistert werden: 

  1. FĂŒr 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 gewĂŒnschten Abfolge ansteuern zu können.

 

Funktionsweise des Schrittmotors

FĂŒr das VerstĂ€ndnis der Funktionsweise eines einfachen Schrittmotors ist es hilfreich, die enge Verbindung zu seinem VorlĂ€ufer, dem bĂŒrstenlosen 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 ablĂ€uft. Die Geschwindigkeit der Drehbewegung kann durch Ändern der Schaltfrequenz erhöht oder verringert werden.

 

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

Diese Beziehung zwischen den stationĂ€ren Elektromagneten des StĂ€nders und den Permanentmagneten des Rotors stellt auch das Grundprinzip fĂŒr den Permanentmagnet-Schrittmotor dar. Neben dieser Grundversion des Schrittmotors gibt es weitere AusfĂŒhrungen. Bei einer dieser AusfĂŒhrungen, 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 (Auflösung 30o bzw. 1,8o) erhöht werden. Je mehr Pole ein Schrittmotor hat, desto besser ist seine Auflösung 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 fĂŒr gewöhnlich sehr viel komplexer. Die zusĂ€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. WĂ€hrend sich der BLDC-Motor besser fĂŒr durchgĂ€ngige Drehbewegungen eignet, kann der Schrittmotor richtig glĂ€nzen, wenn es darum geht, zu einem prĂ€zisen Winkel zu drehen oder eine genaue Position zu halten. Der Schrittmotor ist sehr viel flexibler in der Änderung der Drehbewegung. Er kann schnell zu einem spezifischen Winkelwert drehen, anhalten, weiterdrehen oder bei Bedarf sogar die Drehrichtung Ă€ndern.

 

Diese FĂ€higkeit ermöglicht 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 fĂŒr die AusfĂŒhrung 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 rĂŒckfĂŒhrungslos gesteuert werden. WĂ€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 verĂ€ndert sich in AbhĂ€ngigkeit zur entsprechenden Antriebs- bzw. Ansteuerungstopologie. Die zweiphasige AusfĂŒhrung ist der hĂ€ufigste Ansatz und es kommen im Allgemeinen zwei Arten von Wicklungen zum Einsatz – unipolare und bipolare. Jeder Ansatz hat seine Vor- und Nachteile, je nach Anforderungen, GrĂ¶ĂŸe, 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 lÀsst, 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 Ă€ndern, wird ein Zweig der Wicklung eingeschaltet. Diese Wicklungsart erlaubt die Umkehr des magnetischen Pols, ohne die Stromrichtung zu Ă€ndern. FĂŒr diese Topologie kann schon ein einzelner gĂŒnstiger Transistor fĂŒr die Kommutierungsschaltung ausreichen. Bei dieser Verdrahtung sind fĂŒr jede Phase drei Leiter nötig, aber die Mittelanzapfungen können zusammengelegt werden, sodass der Motor insgesamt fĂŒnf Kabel hat.

 

Bei einem bipolar angesteuerten Motor muss die Stromrichtung geĂ€ndert werden, um die PolaritĂ€t umzukehren, da es pro Phase nur einen Wicklungsstrang gibt. Dies erfordert eine sehr viel aufwendigere Steuerschaltung, normalerweise in Form einer H-BrĂŒcke. Bei dieser Konfiguration gibt es keine gemeinsam genutzten Leiter, sondern fĂŒr jede Phase sind zwei Leiter erforderlich. Das Resultat sind je nach gewĂ€hlter Konfiguration insgesamt sechs oder acht Leiter.

 

Bei einer unipolaren Anordnung wird jeweils nur eine HĂ€lfte der Wicklungen genutzt. Dies bedeutet im Vergleich zu bipolaren Wicklungen höhere Kupferkosten und ein niedrigeres Leistung-zu-Gewicht-VerhĂ€ltnis bei grĂ¶ĂŸeren Abmessungen. Andererseits sind bipolare Ansteuerschaltungen, wie bereits erwĂ€hnt, wesentlich aufwendiger. Heutzutage werden vorwiegend Schrittmotortreiber-ICs verwendet, was diesen Aspekt bei der Auswahl von Wicklung und Schrittmotor fast vergessen lĂ€sst.

 

Microstepping

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

 

Am Anfang des Artikels haben wir erlĂ€utert, wie die einzelnen Pole des Schrittmotors schnell ein- und abgeschaltet werden könnten, 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 ĂŒberfĂŒhrt 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 möglichen Schrittpositionen verdoppelt wird. Microstepping verfeinert diese Methode durch Anwendung sinusförmiger oder rampenartiger Signale fĂŒr das Schalten des Stroms. Das bedeutet, dass es bei der Erregung und Entregung von Polen eine bekannte und steuerbare Überlappung gibt, die viel mehr Schrittpositionen ermöglicht.

 

Microstepping bietet gegenĂŒber herkömmlichen Schrittmotoren zwei Vorteile: der Motor lĂ€uft gleichmĂ€ĂŸiger, wodurch sich Probleme durch Rastmoment und Resonanz quasi erledigt haben, und die Schrittauflösung kann durch die FĂ€higkeit erhöht werden, den Rotor zwischen den Polen anzuhalten. Allerdings hat das Microstepping den Nachteil, dass sich das verfĂŒgbare 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 rĂŒckwĂ€rts, um einen Treiber zu finden, der fĂŒr die Anforderungen sowohl der Anwendung als auch des Motors geeignet ist. Mechanische und elektrische Parameter stehen zwar oft im Zusammenhang, können aber durchaus einzeln betrachtet werden.

 

GrĂ¶ĂŸe, Gewicht, Befestigung und Schrittwinkel sind einige der mechanischen Faktoren, die bei der Spezifizierung von Motoren berĂŒcksichtigt werden sollten. Es gibt viele verschiedene StandardgrĂ¶ĂŸen und -befestigungen, was den Designer in die Lage versetzt, Motoren anderer Anbieter als Zweitbeschaffungsquelle zu nutzen. Ein weiterer wichtiger Punkt, den es zu berĂŒcksichtigen gilt, ist die MassentrĂ€gheit des Rotors, weil sie die maximale positive und negative Beschleunigung bei voller Ansteuerung bestimmt. Beispiele fĂŒr andere mechanische Eigenschaften, die bei der Auswahl des geeignetsten Motors eine Rolle spielen sollten, sind Maßtoleranzen sowie axiales und radiales Spiel im Rotor.

 

Das Haltemoment des Rotors und das Drehmoment-zu-Drehzahl-VerhĂ€ltnis sind weitere Parameter, die Hersteller nennen. Gleichstromwiderstand und Induktanz hĂ€ngen von der Auslegung der elektromagnetischen Wicklungen ab. Der Treiber verwendet diese MessgrĂ¶ĂŸen, um die fĂŒr die Ansteuerung erforderlichen Spannungs- und Stromwerte zu bestimmen.

 

Die Hersteller von Halbleiter-ICs haben die meisten Schwierigkeiten bei der Ansteuerung eines Schrittmotors bereits gelöst. Ein moderner IC kann sĂ€mtliche Funktionen darstellen, die zur Ansteuerung eines kleineren Motors erforderlich sind, und braucht die externen FETs lediglich fĂŒr grĂ¶ĂŸere Motoren. Zu diesen Funktionen gehört die Ausbildung der Wellenform, Spulenansteuer-FETs, Schutz, Taktung/Timing und Treiber fĂŒr externe FETs.

 

Abbildung 3: Beim Microstepping setzt sich die Stromansteuerung aus einer Reihe an kleinen Schritten in einer sinusĂ€hnlichen Verlaufsform zusammen. Dies resultiert sowohl in gleichmĂ€ĂŸigerer Rotordrehung als auch in der FĂ€higkeit, Schrittpositionen zwischen den Polen einzurichten und so eine bessere effektive Winkelauflösung zu erreichen, als es nur anhand der Polanzahl möglich wĂ€re (Quelle: Texas Instruments)

Ein Beispiel aus der echten Welt der Schrittmotortreiber-ICs in Halbleitertechnik ist der DRV8711 von Texas Instruments. Dieser bipolare Schrittmotortreiber wurde fĂŒr die Steuerung eines Schrittmotors ĂŒber 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-BrĂŒcke konfigurierten MOSFETs ansteuern, bietet Schutz vor Überhitzung und Überströmen sowie Stillstandserkennung und Meldung bei Gegen-EMK.

 

Zur UnterstĂŒtzung des Entwicklungsprozesses werden von fast allen Herstellern von Halbleiterbauteilen Evaluationsboards und Referenzdesigns angeboten. Mit dem Evaluierungskit LV8714TAGEVK von ON Semiconductor können Entwickler den Schrittmotortreiber LV8714TA des Unternehmens vor der Verwendung testen. Der dual ausgelegte Schrittmotortreiber kann zwei Schrittmotoren unabhĂ€ngig voneinander ĂŒber vier H-BrĂŒcken-KanĂ€le ansteuern und ist fĂŒr Anwendungen wie Sicherheitskamerasysteme und Multifunktionsdrucker vorgesehen. Er ĂŒberzeugt durch Ă€ußerst niedrigen Stromverbrauch im Standby und eingebauten Systemschutz. Das Evaluierungskit ist mit allem ausgestattet, was es braucht, um „out of the box“ Lösungen zu finden: PC-basierte Software, Kabel und zwei Motoren.

 

Die Schrittmotortreiberstufe kann vollstĂ€ndig umgangen und der Mikrocontroller fĂŒr die Steuerung des Schrittmotors genutzt werden, der die System-MOSFETs dann direkt ĂŒber die DigitalausgĂ€nge des Mikroprozessors ansteuert. Diese Strategie erfordert einen Mikrocontroller, der bereits auf Steueranwendungen hin optimiert worden ist und darĂŒber hinaus noch ĂŒber genĂŒgend Leistungsreserve fĂŒr den normalen Betrieb des Mikroprozessors verfĂŒgt.

 

FĂŒr Designer, die diesen Weg nehmen, ist es wichtig zu wissen, woher die Steueralgorithmen kommen und wie sie getestet worden sind. Ebenso sind Motoren anfĂ€llig fĂŒr Soft- und Hard-Faults. Beim Entwurf der eingebetteten Software muss diese Tatsache berĂŒcksichtigt werden. Es gibt Mikrocontroller auf dem Markt, die von Grund auf entwickelt worden sind, um die erforderliche ZuverlĂ€ssigkeit zu haben, den Code fĂŒr die Motoransteuerung unter allen UmstĂ€nden ausfĂŒhren zu können.

 

Bei Herstellern, die den oben ööProzessoransatz bieten, gibt es ebenfalls Designsupport, zu dem neben Entwicklerboards und Softwarebibliotheken auch Beispielcode gehört. Einige Hersteller bieten sowohl eingebettete Treiber als auch Prozessoren und versetzen den Designer so in die Lage, die optimale Methode fĂŒr jede einzelne Anwendung bewerten zu können.


 


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