Schrittmotoren

Schrittmotoren sind bürstenlose Synchronmotoren. Sie setzen digitale Impulse ihrer Steuerung in eine Wellenrotation um. Die Einsatzgebiete sind Szenarien, in denen es auf eine sehr genaue Position ankommt, jedoch nicht viel Kraft benötigt wird. Das sind unter anderem computergesteuerte Werkzeugmaschinen, Tintenstrahldrucker (Positionierung des Druckkopfes), CD-, DVD- und Bluray-Laufwerke oder auch entsprechende Brenner für diese Medien.

Wie arbeiten Schrittmotoren?
Bei ihnen ist jede Umdrehung Ihrer Motorwelle in eine diskrete Zahl von Schritten unterteilt. Sehr oft sind es 180 bis 220 Schritte. Der Motor benötigt für jeden einzelnen Schritt einen Impuls, weil er zeitgleich immer nur einen Schritt ausführt. Jeder Impuls veranlasst eine Rotationsbewegung in einem exakt definierten Winkel, so etwa 1,8° bei 200 Schritten. Das ermöglicht die Kontrolle der Motorposition ohne Rückführsignal. Bei zunehmender Frequenz der Impulse wird aus der Schrittbewegung eine kontinuierliche Rotationsbewegung mit einer zur Impulsfrequenz direkt proportionalen Rotationsgeschwindigkeit (mehr Infos).

Vorteile von Schrittmotoren
Das Drehmoment dieser Motoren ist bei geringen Drehzahlen hoch, zudem sind sie sehr zuverlässig und kostengünstig herzustellen. Im Überblick lassen sich folgende Vorteile und Eigenschaften darstellen:

  • Der zurückgelegte Rotationswinkel hat zu den Eingangsimpulsen einen proportionalen Wert, was eine genaue Steuerung ermöglicht.
  • Auch im Stillstand erreicht ein Schrittmotor sein volles Drehmoment, wenn die Wicklungen erregt sind.
  • Die Wellenrotation zeichnet sich durch ihre präzise Positionierung aus. Die Schritte sind exakt reproduzierbar. Die Schrittgenauigkeit liegt bei 2 – 5 %. Doch etwaige Genauigkeitsfehler summieren sich nicht auf, weil jeweils eine neue Impulsansteuerung pro Schritt erfolgt.
  • Auf Starten, Stoppen und die Umkehrung spricht der Motor exzellent an.
  • Die hohe Zuverlässigkeit entsteht durch die elektronische Kommutierung des bürstenlosen Motors. Dessen Lebensdauer hängt allein von der seiner Wälzlager ab.
  • Durch die Ansteuerung mit digitalen Eingangsimpulsen sind keine teuren Regelsysteme erforderlich. Der Motor lässt sich einfach und robust ausführen.
  • Auch bei Lasten, welche direkt auf die Welle wirken, lassen sich niedrige Synchrondrehzahlen erreichen.
  • Der Drehzahlbereich ist hoch, weil die Motordrehzahl proportional zur Impulsfrequenz ist.

Schrittmotoren: verschiedene Typen
Es gibt bei diesen Motoren die drei Grundtypen Reluktanz-, Permanentmagnet– und Hybridschrittmotor. Letzterer vereinigt im Grunde die drei Bauformen in sich und wird sehr häufig eingesetzt. Er verfügt über einen Stator und einen Permanentmagnetrotor, der Stator ist mit mehrfach gezahnten Polen ausgestattet. In der Standardausführung bewegen 200 Rotorzähne die Welle in Schrittwinkeln von je 1,8°. Beide Drehmomente – statisch und dynamisch – sind ebenso wie die Schrittgeschwindigkeit sehr hoch, was viele Anwendungsfälle möglich macht. Neben den PC-Laufwerken, Plottern, Druckern und CD-Abspielgeräten profitieren im industriellen Bereich und in der Forschung sehr Roboter, Werkzeugmaschinen und automatische Fluidsteuerungssysteme von dieser Bauart. Die hybriden Schrittmotoren können in den drei Schrittbetriebsmodi Voll-, Halb- und Mikroschritt betrieben werden. Diese Modi hängen wiederum vom Schrittmotortreiber ab. Es gibt sogar Ausführungen, welche den Mikroschrittbetrieb mit softwaregesteuerter Auflösungsvorwahl ansteuern können. Diese Technologie ist relativ neu (Stand: 2019), sie kann zu über 50.000 Schritten pro Umdrehung führen. Damit sind sensibelste Steuerungen möglich, wie sie heute unter anderem der Forschung benötigt werden. Teilweise bewegen sich die Wellen nur noch um 0,007° pro einzelnem Schritt.