Wissenswertes zu Schrittmotoren-Treiber

Schrittmotoren sind im Bereich der Automation mittlerweile gang und gäbe. Sie eignen sich hervorragend für alle Anwendungen, in denen eine exakte Positionierung gefragt ist. Um sie anzutreiben und zu steuern, kommen Schrittmotoren-Treiber zum Einsatz. Wie sie funktionieren und worauf es beim Kauf zu achten gilt, erfahren Sie in unserem Ratgeber.

Was sind Schrittmotoren?

Klassische Elektromotoren sind aus der Antriebstechnik kaum wegzudenken. Sie werden genutzt, um etwas in Bewegung zu versetzen, und durch das Anlegen einer Spannung zum Drehen gebracht. Abhängig von der mechanischen Last fällt die Drehgeschwindigkeit höher oder niedriger aus. Für Anwendungen, die Genauigkeit erfordern, eignen sie sich jedoch nicht. In solchen Fällen sind sogenannte Schrittmotoren die bessere Wahl, da sie ein gezieltes Anfahren bestimmter Punkte und ein exaktes Positionieren ermöglichen. Schrittmotoren können auch bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erzeugen, arbeiten sehr zuverlässig und sind Bestandteil vieler industrieller und gewerblicher Anwendungen. Sie werden unter anderem zur Ansteuerung von Robotern genutzt oder in Druckern eingesetzt, um Farbpunkte in sehr geringen Abständen nebeneinander zu setzen. In der CNC-Steuerung finden Schrittmotoren ebenfalls Verwendung. Als CNC (Computerized Numerical Control = „rechnergestützte numerische Steuerung“) bezeichnet man ein elektronisches Verfahren zur Steuerung von CNC-Maschinen, die Werkstücke mit äußerster Präzision herstellen. Dazu zählen beispielsweise CNC-Fräsen, die etwa zum Gravieren oder zum Fräsen von 3D-Objekten zum Einsatz kommen. Auch in Kraftfahrzeugen werden Schrittmotoren mittlerweile verbaut, um beispielsweise die Klappen von Heiz- oder Klimaanlagen zu steuern.

     

Schrittmotor 3nm

Stepper Motor

Schrittmotoren funktionieren anders als Gleichstrom- beziehungsweise DC-Motoren. Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser Synchronmotor, der aus einem drehbaren Teil, dem sogenannten Rotor, und einem nicht drehbaren Teil, dem Stator, besteht. Der Stator ist mit Spulen ausgestattet, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen und deren Wicklungen gezielt ein- und ausgeschaltet werden, wodurch sich der Rotor zu drehen beginnt. Durch Ansteuerung der Spulen lässt sich der Drehwinkel beeinflussen. Eine Umdrehung besteht aus einer bestimmten Anzahl an gleich großen Schritten. Jeder einzelne Schritt bedarf eines Impulses, um durchgeführt werden zu können. Mit steigender Impulsfrequenz geht die Schrittbewegung in eine kontinuierliche Rotationsbewegung über. In der Regel erzeugen Industriemotoren pro Umdrehung 200 Schritte. Mit anderen Worten: Um die Achse im Motor einmal vollständig zu drehen, sind 200 diskrete Schritte notwendig.

Abhängig von ihrer Bauform können mehrere Arten von Schrittmotoren unterschieden werden: Reluktanz-Schrittmotoren verfügen über einen gezahnten Weicheisenrotor. Sie erzielen eine hohe Geschwindigkeit und einen genauen Schrittwinkel, erzeugen jedoch nur ein kleines Drehmoment. Permanentmagnet-Schrittmotoren sind hingegen mit einem Rotor in Gestalt eines zylindrischen Permanentmagneten ausgestattet. Sie erzeugen ein größeres Drehmoment als Reluktanz-Schrittmotoren, arbeiten jedoch in nicht ganz so exakten Schrittwinkeln. Bei Hybrid-Schrittmotoren handelt es sich sozusagen um eine Mischform aus Reluktanz- und Permanentmagnet-Schrittmotoren. Sie erzeugen ein hohes Drehmoment, genaue Schrittwinkel und sind heute am weitesten verbreitet.

Schrittmotorsteuerung mit Schrittmotor-Treibern

Schrittmotoren sind zwar bürstenlos und somit verschleißfreier als klassische elektrische Motoren, sie müssen jedoch mithilfe eines Controllers angesteuert werden, um sich drehen zu können. Diese Aufgabe übernehmen Schrittmotor-Treiber. Wie der Name schon andeutet, haben sie in erster Linie die Funktion, den Motor anzutreiben, sie dienen aber auch der gezielten Schrittmotorsteuerung, indem sie beispielsweise die Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung, Drehkraft oder Drehposition regeln.

Schrittmotor-Treiber arbeiten mit einem sogenannten Schrittmotor-Indexer oder Schrittmotor-Controller zusammen, der in der Regel vorgeschaltet wird. Er stellt Schritt- und Richtungssteuersignale zur Verfügung, die der Schrittmotor-Treiber empfängt und in elektrische Signale umwandelt, die für den Betrieb des Motors erforderlich sind. Über eine passende Schnittstelle (bspw. RS-232 oder RS-485) wird die Kommunikation mit dem Schrittmotor-Indexer sichergestellt. Er kann mit einem PC verbunden werden, dessen Befehle in die passenden Schritt- und Richtungssteuersignale transformieren und schließlich an den Schrittmotortreiber weiterleiten. Ausführungen für den Stand-Alone-Betrieb sind ebenfalls erhältlich.

Schrittmotorsteuerung Trinamic

Velleman Steuerinterface

Schrittmotor-Treiber nehmen Einfluss auf den Stromfluss, der durch die Wicklungen im Motor fließt und letztlich vorgibt, wie hoch oder niedrig Drehzahl und Drehmoment ausfallen. Manche Treiber verfügen zusätzlich über einen integrierten Taktgeber, der es ermöglicht, die Drehzahl von außen anzupassen, beispielsweise durch Betätigung eines Joysticks. Wie hoch der Stromfluss ist und wie lange es dauert, bis die Wicklungen „erregt“ werden, hängt von der Induktivität des Motors ab.

Es gibt keine fixe Methode, wie Motortreiber konfiguriert werden. Die Konfiguration fällt je nach Treiber und Board unterschiedlich aus. Oft wird eine entsprechende Software genutzt, es gibt aber auch die Möglichkeit, Einstellungen via Hardware vorzunehmen. Das ist meistens der Fall, wenn sich auf dem Board ein oder mehrere DIP-Schalter befinden.

In unserem Onlineshop finden Sie eine große Auswahl an Schrittmotortreibern in Form von Platinen, Modulen und Stepsticks, die sich für verschiedene Anwendungsbereiche eignen.

Unser Praxistipp: die richtige Spannung finden

Viele Schrittmotor-Treiber können eine Spannung erzeugen, die über der Nennspannung des Motors liegt. Die Ausgangsspannung des Treibers steht in einem Verhältnis zu Drehmoment und Drehzahl und sollte idealerweise möglichst hoch ausfallen. Die richtige Spannung zu finden, ist jedoch nicht unbedingt einfach. Grundsätzlich ist es empfehlenswert, Treiber und Motor nicht sofort mit Maximalspannung zu betreiben, sondern mit einer kleinen Spannung zu beginnen und sie nach und nach zu steigern. In diesem Zusammenhang erweisen sich Schrittmotor-Treiber als praktisch, die über eine Stromregelung verfügen. Sie verhindern, dass ein Überstrom entsteht, indem sie höhere Spannungen auf den Nennstrom des Motors begrenzen.

Kaufkriterien für Schrittmotor-Treiber – worauf kommt es an?

Bei der Auswahl eines geeigneten Schrittmotor-Treibers ist zunächst einmal der maximale Phasen-Strom zu berücksichtigen. Maximale Phasen-Ströme werden angegeben, um einer Wärmeentwicklung in den Spulen des Motors entgegenzuwirken. Sie können in unserem Onlineshop nach diesem Kriterium filtern.

Um einer Überhitzung und damit potenziell einhergehenden Schäden an der Elektronik vorzubeugen, sollten Schrittmotor-Treiber idealerweise mit einem Kühlkörper oder Lüfter ausgestattet sein. Manche Treiber schalten sich im Fall einer zu hohen Wärmeentwicklung auch einfach automatisch aus. Es besteht die Möglichkeit, Treiber nachträglich mit einem Kühlkörper auszurüsten. Dabei gilt es jedoch auf die Kompatibilität zwischen beiden Komponenten zu achten. Informationen hierzu finden Sie in der Beschreibung des Herstellers.

Schnittstellen können ein entscheidendes Kaufkriterium sein, wenn der Schrittmotortreiber über einen PC gesteuert werden soll. Nicht jeder Laptop oder Desktop-PC verfügt über eine RS-232- oder RS-483-Schnittstelle. In solchen Fällen ist es sinnvoll, einen Treiber mit USB-Anschluss zu wählen.

Wenn Sie Ihren Schrittmotor-Treiber mit einem Arduino oder einem anderen Mikrocontroller steuern möchten, gilt es darauf zu achten, dass die jeweilige Ausführung damit kompatibel ist. Relevante Daten hierzu finden Sie in der Hersteller-Beschreibung.

Schrittmotorsteuerung Arduino

FAQ – häufig gestellte Fragen zu Schrittmotor-Treibern

Was sind Closed-Loop-Schrittmotoren?

Closed-Loop-Motoren stehen Open-Loop-Motoren gegenüber. Open Loop heißt so viel wie „offener Regelkreis“, das heißt, dass der Treiber während der Motorsteuerung keine Rückmeldung erfährt. Ein Schrittverlust wird somit nicht registriert, was eine ungenaue Positionierung zur Folge haben kann. Closed Loop bezeichnet einen geschlossenen Regelkreis. Motoren, die nach diesem Prinzip funktionieren, bieten ein Positionsrückmeldung und korrigieren eventuelle Fehler, so dass es gar nicht erst zu Schrittverlusten kommen kann.

Was versteht man unter H-Brücken?

H-Brücken kommen zur Steuerung bipolarer Schrittmotoren zum Einsatz, die eine Umpolung des Betriebsstroms erfordern. Eine Schaltung aus H-Brücken besteht aus 4 Halbleiterschaltern (bspw. Transistoren) und muss für jede Wicklung angelegt werden.

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