Schrittmotor sind hochpräzise Maschinen, die in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine genaue Steuerung der Bewegung erforderlich ist. Dennoch ist es wichtig, die verschiedenen Steuerungsstrategien zu verstehen, um die Leistung eines Schrittmotors zu maximieren. Die Komplexität, die Kosten und die Wirksamkeit jedes Ansatzes variieren je nach den Anforderungen der Anwendung.

Arten von Schrittmotor

Bevor Sie sich mit den Steuerungstechniken befassen, müssen Sie die wichtigsten Arten von Schrittmotor kennen, da die Steuerungsstrategien je nach Motortyp unterschiedlich sind:

• Permanentmagnet Schrittmotor (PM): Verwendet Permanentmagnete im Rotor, die durch elektromagnetische Felder im Stator angetrieben werden.
• Schrittmotor mit variabler Reluktanz (VR): Basiert auf der Idee der variablen Reluktanz, bei der der Rotor der Route mit der geringsten Reluktanz folgt.
• Hybrid Schrittmotor: Kombiniert Funktionen von PM- und VR-Schrittmotoren und bietet höhere Präzision und bessere Drehmomentleistung.
• Linearer Schrittmotor: Wandelt Drehbewegungen in lineare Verschiebungen um, was häufig bei Anwendungen mit linearer Bewegung verwendet wird.

Gängige Steuerungsmethoden für Schrittmotor

Zur Regelung der Bewegung von Schrittmotor werden verschiedene Steuerungsmethoden verwendet. Die Auswahl der Steuerungsmethode hängt von Faktoren wie Präzision, Geschwindigkeit, Drehmoment, Stromverbrauch und Anwendungskomplexität ab.

Wellenantrieb (Ein-Phase-On-Antrieb)

Der Wellenantrieb ist eine der einfachsten Steuerungsmethoden für Schrittmotoren. Dabei wird jeweils nur eine Statorwicklung aktiviert, wodurch sich der Rotor mit der aktiven Wicklung ausrichtet. Diese Methode ist kostengünstig, benötigt weniger Strom und verringert die Motorerwärmung. Allerdings erzeugt sie im Vergleich zu anderen Methoden auch weniger Drehmoment, da zu einem bestimmten Zeitpunkt weniger Wicklungen aktiv sind.

Vollschrittantrieb (Zweiphasen-Antrieb)

Der Vollschrittantrieb verbessert den Wellenantrieb, indem er zwei Statorwicklungen gleichzeitig mit Strom versorgt. Dies führt zu einem höheren Drehmoment im Vergleich zum Wellenantrieb, da der Motor von den kombinierten Magnetfeldern zweier Wicklungen profitiert. Der Motor bewegt sich in Vollschritten, was bedeutet, dass seine Auflösung im Vergleich zum Mikroschritt geringer ist, aber er eignet sich für viele allgemeine Anwendungen, die keine ultrafeine Positionierung erfordern.

Halbautomatischer Antrieb

Eine und zwei Wicklungen werden abwechselnd mit der Halbschritt-Antriebstechnik mit Strom versorgt. Dies stellt einen Kompromiss zwischen dem Drehmoment des Vollschrittantriebs und der Auflösung des Mikroschrittantriebs dar. Der Motor bewegt sich in Halbschritten, wodurch die Auflösung im Vergleich zum Vollschrittantrieb effektiv verdoppelt wird. Diese Steuerungsmethode schafft ein Gleichgewicht zwischen gleichmäßiger Bewegung und Drehmomentabgabe.

Mikroschritte

Mikroschritte sind die fortschrittlichste und am weitesten verbreitete Steuerungsmethode für Schrittmotoren, insbesondere bei Anwendungen, die hohe Präzision und einen reibungslosen Betrieb erfordern. Beim Mikroschrittbetrieb werden beide Wicklungen mit Strom versorgt, der Strom durch jede Wicklung wird jedoch sinusförmig variiert, sodass sich der Motor in kleineren Schritten (Mikroschritten) bewegen kann. Mikroschritte können die Auflösung des Motors im Vergleich zum Vollschrittbetrieb um das Hundert- oder sogar Tausendfache erhöhen.

Mikroschritte sorgen für die gleichmäßigste Bewegung und minimieren Resonanzen, die bei Schrittmotoren häufig auftreten. Allerdings nimmt das tatsächliche Drehmoment bei jedem Mikroschritt ab, sodass sich diese Technologie für Anwendungen mit hohem Drehmoment weniger eignet, es sei denn, der Motor ist überdimensioniert.

Regelung (Servoregelung)

Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis verwenden Feedback von einem externen Sensor – normalerweise einem Encoder –, um die tatsächliche Position des Motors zu verfolgen und den Eingang zu ändern, um etwaige Ungenauigkeiten zu beheben. Diese Methode wandelt die offene Natur von Schrittmotoren in ein geschlossenes Regelsystem um und verwandelt den Schrittmotor effektiv in eine Art Servomotor.

Die geschlossene Regelkreissteuerung verbessert die Genauigkeit, reduziert Schrittverluste und ermöglicht ein besseres Drehmomentmanagement. Sie ist besonders nützlich in Anwendungen, in denen der Motor unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt ist und die Beibehaltung einer präzisen Positionierung von entscheidender Bedeutung ist. Obwohl die geschlossene Regelkreissteuerung die Leistung verbessert, führen die erforderlichen zusätzlichen Sensoren und Feedbackmechanismen zu einer erhöhten Systemkomplexität und höheren Kosten.

Impulssteuerungstechniken für Schrittmotoren

Schrittmotoren werden in der Regel durch Impulse angetrieben, wobei die Anzahl der Impulse die Bewegung und Geschwindigkeit des Motors bestimmt. Nachfolgend finden Sie die wichtigsten Impulssteuerungstechniken, die zur Steuerung von Schrittmotoren verwendet werden:

Pulsweitenmodulation (PWM)

Der Schrittmotor wird durch Impulse angetrieben, deren Breite mithilfe der PWM-Steuerung moduliert wird. Sie wird verwendet, um die Spannung und den Strom zu steuern, die an die Motorwicklungen geliefert werden, was zur Steuerung von Drehmoment und Geschwindigkeit beiträgt. PWM wird häufig bei Mikroschritten verwendet, um eine gleichmäßige Bewegung und Feinsteuerung des Schrittmotors zu gewährleisten.

Puls-Richtungs-Steuerung

Bei der Impulsrichtungssteuerung gibt ein Eingang die Anzahl der Impulse an, die an den Schrittmotor gesendet werden sollen, wodurch gesteuert wird, wie viele Schritte der Motor macht, während ein anderer Eingang die Drehrichtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) bestimmt. Diese Methode wird häufig in CNC-Maschinen und Robotersystemen zur präzisen Positionssteuerung verwendet.

Abschluss

Der Schrittmotor ist ein vielseitiges Gerät mit einer Vielzahl von Steuerungsmethoden, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind. Durch sorgfältige Auswahl der geeigneten Steuerungsmethode kann die Leistung des Schrittmotors optimiert werden. Der Schrittmotorhersteller kann genau auf Ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten produzieren.