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Schrittmotoren

Einführung zu Schrittmotoren

Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser Synchronmotor, der digitale Impulse in mechanische Bewegungen der Motorwelle (Wellenrotation) umsetzt.

Jede Umdrehung der Schrittmotorwelle ist in eine diskrete Anzahl an Schritten unterteilt, in vielen F?llen sind es 200 Schritte. Für jeden dieser diskreten Schritte muss an den Schrittmotor ein Impuls gesandt werden. Der Schrittmotor kann zu einem Zeitpunkt nur einen Schritt ausführen. Alle Schritte sind gleich gro?. Da jeder Impuls eine Rotationsbewegung des Schrittmotors von einer exakt definierten Winkelgr??e von typischerweise 1,8° veranlasst, ist eine Kontrolle der Schrittmotorposition ohne Rückführsignal m?glich. Nimmt die Frequenz der digitalen Impulse zu, dann ?ndert sich die Schrittbewegung in eine kontinuierliche Rotationsbewegung, deren Rotationsgeschwindigkeit direkt proportional zur Impulsfrequenz ist. Schrittmotoren bieten ein hohes Drehmoment bei geringen Drehzahlen und werden aufgrund ihrer hohen Zuverl?ssigkeit sowie einfachen, kostengünstigen und dennoch robusten Konstruktion t?glich in zahlreichen industriellen und gewerblichen Anwendungen eingesetzt.

Typischer Schrittmotor

Vorteile von Schrittmotoren

Das Konvertieren eines nicht-linearen Eingangssignal in ein lineares Ausgangssignal. Dieser Verarbeitungsschritt ist zum Beispiel für Thermoelementsignale erforderlich.
  • Der zurückgelegte Rotationswinkel des Schrittmotors ist proportional zu den Eingangsimpulsen.
  • Der Schrittmotor kann im Stillstand sein volles Drehmoment aufbringen (bei erregten Wicklungen).
  • Pr?zise Positionierung und Reproduzierbarkeit der Wellenrotation. Qualitativ gute Schrittmotoren besitzen eine Schrittgenauigkeit von 3 bis 5 %, wobei etwaige Genauigkeitsfehler sich nicht von Schritt zu Schritt aufsummieren.
  • Exzellentes Ansprechen auf Starten/Stoppen/Umkehrung.
  • Hohe Zuverl?ssigkeit durch elektronische Kommutierung (Motor ohne Bürsten). Die Lebensdauer eines Schrittmotors h?ngt somit allein von der Lebensdauer der W?lzlager ab.
  • Die Ansteuerung der Schrittmotoren mit digitalen Eingangsimpulsen erm?glicht den Verzicht auf teure Regelsysteme und eine einfachere Ausführung des Motors.
  • Es lassen sich selbst bei direkt auf die Motorwelle wirkenden Lasten sehr niedrige Synchrondrehzahlen erreichen.
  • Gro?er Drehzahlbereich, da die Motordrehzahl direkt proportional zur Eingangsimpulsfrequenz ist.

Typen von Schrittmotoren

Es gibt drei Grundtypen von Schrittmotoren: Reluktanzschrittmotor, Permanentmagnetschrittmotor und Hybridschrittmotor. Dieser Abschnitt behandelt jedoch haupts?chlich Hybridschrittmotoren, da diese Bauform die besten Eigenschaften von Reluktanz- und Permanentmagnetschrittmotoren in sich vereinigt. Hybridschrittmotoren besitzen einen Stator mit mehrfach gezahnten Statorpolen und einen Permanentmagnetrotor. Standardm??ige Hybridschrittmotoren besitzen 200 Rotorz?hne und bewegen sich in Schrittwinkeln zu je 1,8°. Hybridschrittmotoren werden aufgrund ihres hohen statischen und dynamischen Drehmoments und ihrer sehr hohen Schrittgeschwindigkeit in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, z. B. in PC-Laufwerken, Druckern/Plottern und in CD-Abspielger?ten. Zu den Einsatzgebieten für Schrittmotoren in Industrie und Forschung geh?ren Roboter, Werkzeug- und Handhabungsmaschinen, automatische Drahtschneide- und Drahtbondmaschinen sowie Fluidsteuerungssysteme.

Schrittmodi

Schrittmotoren lassen sich in den Schrittbetriebsmodi Vollschritt, Halbschritt und Mikroschritt betreiben. Der für die jeweiligen Schrittmotoren verwendete Schrittbetriebsmodus h?ngt von der Ausführung des Schrittmotortreibers ab. Die Schrittmotortreiberserie Omegamation? bietet neben Schrittmotortreibern, die wahlweise im Vollschritt- oder im Halbschrittbetriebsmodus betrieben werden k?nnen, auch Schrittmotortreiber für den Mikroschrittbetrieb mit schaltbarer bzw. softwaregesteuerter Aufl?sungsvorwahl an.

Vollschrittbetrieb

Standardm??ige Hybridschrittmotoren besitzen 200 Rotorz?hne bzw. ben?tigen für 1 vollst?ndige Umdrehung der Motorwelle 200 Vollschritte. Teilt man die 360° einer vollen Umdrehung durch diese 200 Schritte, erh?lt man für einen Vollschritt einen Schrittwinkel von 1,8°. Für den Vollschrittbetriebsmodus werden beide Wicklungen mit einem abwechselnd umgekehrten Stromfluss erregt. Ein vom Schrittmotortreiber übermittelter digitaler Schrittimpuls entspricht somit einem Teilungsschritt.

Halbschrittbetrieb
Im Halbschrittbetrieb durchl?uft der Schrittmotor pro Umdrehung 400 Schritte. In diesem Betriebsmodus werden abwechselnd eine Wicklung und anschlie?end zwei Wicklungen erregt, wodurch der Rotor mit jedem Schritt nur die halbe Schrittl?nge bzw. 0,9° zurücklegt. Dieser Betriebsmodus führt zu einem gleichm??igeren Bewegungsablauf als im Vollschrittbetrieb, allerdings sind im Halbschrittbetrieb Drehmomenteinbu?en von ca. 30 % zu verzeichnen.

Mikroschrittbetrieb
Beim Mikroschrittbetrieb handelt es sich um eine noch relativ neue Schrittmotortechnologie. Hier wird der Stromfluss innerhalb der Wicklungen für eine weitere Unterteilung der Schritte zwischen den Polen beeinflusst. Die Omegamation-Mikroschritttreiber k?nnen einen Vollschritt von 1,8° in 256 Mikroschritte unterteilen, wodurch man 51.200 Schritte pro Umdrehung (0,007° pro Schritt) erh?lt. Ein Mikroschrittbetrieb wird üblicherweise für Anwendungen genutzt, die über einen gro?en Drehzahlbereich hinweg eine hochgenaue Positionierung bei gleichm??igem Bewegungsablauf erfordern. Genauso wie im Halbschrittbetrieb auch, ist ein Mikroschrittbetrieb im Vergleich zum Vollschrittbetrieb mit einem Drehmomentverlust von ca. 30 % verbunden.

Ansteuerung von linearen Bewegungen
Die Rotationsbewegung eines Schrittmotors kann mittels eines Linearantriebssystems (Spindel-/Schneckengetriebe) in eine lineare Bewegung überführt werden (siehe Abb. B). Die Steigung der Führungsspindel entspricht somit dem bei einer vollst?ndigen Spindelumdrehung zurückgelegten linearen Verfahrweg. Entspricht die Steigung einer in 200 Vollschritte unterteilten Umdrehung 25,4 mm, dann besitzt das Leitspindelsystem eine Aufl?sung von 0,127 mm pro Schritt. Werden darüber hinaus der Schrittmotor und das Antriebssystem im Mikroschrittbetrieb angesteuert, dann sind noch h?here Aufl?sungen m?glich.

Reihen- und Parallelanschluss
Der Anschluss eines Schrittmotors erfolgt entweder in Reihe oder parallel. Ein Reihenanschluss bietet eine h?here Induktivit?t und somit ein gr??eres Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich. Ein Parallelanschluss hingegen reduziert die Induktivit?t, was in hohen Drehzahlbereichen zu einem gr??eren Drehmoment führt.

Allgemeines zu Schrittmotortreibern

Der Schrittmotortreiber empf?ngt vom Schrittmotor-Indexer bzw. vom Steuerungssystem die Schritt- und Richtungssteuersignale und setzt diese in für den Betrieb des Schrittmotors notwendige elektrische Signale um. Für jeden Bewegungsschritt der Motorwelle ist ein Impuls notwendig. Im Vollschrittbetriebsmodus werden somit bei einem standardm??igen Schrittmotor mit 200 Schritten für eine Wellenumdrehung 200 Schrittimpulse ben?tigt. Die Rotationsdrehzahl ist dabei direkt proportional zur Impulsfrequenz. In einigen Schrittmotortreibern ist ein Taktgeber integriert, der die Motordrehzahl über ein externes Analogsignal bzw. über einen Joystick beeinflussen kann.

Reihen- und Parallelanschluss

Drehzahl und Drehmoment des Schrittmotors ergeben sich aus dem vom Schrittmotortreiber beeinflussten Stromfluss innerhalb der Motorwicklungen. Die H?he dieses Stromflusses und die für eine Erregung der Wicklungen ben?tigte Zeit wird wiederum von der Induktivit?t des Motors beeinflusst. Die meisten Schrittmotortreiber sind in der Lage, eine h?here Spannung als die Nennspannung des Schrittmotors zu liefern. Je h?her die Ausgangsspannung des Schrittmotortreibers, umso h?her ist das Verh?ltnis von Drehmoment zu Drehzahl. Allgemein muss die Ausgangsspannung des Schrittmotortreibers das 5- bis 20-fache der Motornennspannung betragen. Um den Schrittmotor vor überstromsch?den zu bewahren, muss der Abgabestrom des Schrittmotortreibers auf den Motornennstrom des Schrittmotors begrenzt werden.

Allgemeines zu Schrittmotor-Indexern

Der Schrittmotor-Indexer bzw. Schrittmotor-Controller stellt dem Schrittmotortreiber die Schrittimpuls- und Drehrichtungs-Ausg?nge zur Verfügung. Die meisten Anwendungen erfordern vom Schrittmotor-Indexer jedoch auch eine Ansteuerung von weiteren Schrittmotorparametern wie Beschleunigung, Verz?gerung, Anzahl der Schritte pro Sekunde und die Regelung des Verfahrwegs. Der Schrittmotor-Indexer dient jedoch auch als Ein- und Ausgangsschnittstelle für viele weitere (externe) Signale.

Die Kommunikation mit dem Schrittmotor-Indexer erfolgt über eine serielle RS-232-Schnittstelle und in einigen F?llen auch über eine RS-485- Schnittstelle. Der Schrittmotor-Indexer kann über beide Schnittstellen Befehle einer h?heren Ebene von einem Host-PC empfangen, diese in die entsprechenden Schritt- und Drehrichtungsimpulse umwandeln und an den Schrittmotortreiber übermitteln.

Darüber hinaus ist der Schrittmotor-Indexer mit einer E/A-Schnittstelle ausgestattet, die der Steuerung und überwachung von externen Peripheriefunktionen wie etwa Start-, Tippbetriebs- oder Grundstellungsbetrieb, von Endschaltern oder anderer Maschinenfunktionen dient.

Betrieb ohne PC

Der Stand-Alone-Modus l?sst auch einen vom Host-PC unabh?ngigen Betrieb des Schrittmotor-Indexers zu. Die im nichtflüchtigen Speicher hinterlegbaren Motion Control-Programme lassen sich über unterschiedliche Benutzerschnittstellen wie einem Bedienfeld, Touchscreen oder über einen an die E/A-Schnittstelle angeschlossenen Schalter beeinflussen. Ein unabh?ngig einsetzbarer Schrittmotor-Controller umfasst oftmals auch den Schrittmotortreiber, ein Netzteil und eine optionale Drehgeberrückführung für Regelungsanwendungen, die eine Stillstandserfassung und eine exakte Fehlerkompensation der Motorposition erfordern.

HUB444 Multi-Achsen-Steuerung

Multi-Achsen-Steuerungen

Viele Antriebsanwendungen umfassen mehr als nur einen Schrittmotor. Für solche F?lle steht ein Multi-Achsen-Steuerungssystem zur Verfügung. So k?nnen beispielsweise an das HUB 444 Netzwerk-Hub bis zu vier Schrittmotortreiber für jeweils separat ansteuerbare Schrittmotoren angeschlossen werden. Das Netzwerk-Hub bietet eine Koordination aller Bewegungen von Anwendungen, die ein hohes Ma? an Synchronisierung erfordern, z. B. für Kreis- und Linearinterpolationen.
Drehmoment-/Drehzahl-Kurve eines Schrittmotors

Auswahl von Schrittmotor und Schrittmotortreiber

Die Auswahl des richtigen Schrittmotors richtet sich nach dem von der Anwendung geforderten Drehmoment und den entsprechenden Drehzahlanforderungen. Die für jeden Schrittmotortreiber verfügbare Drehmoment-/Drehzahl-Kurve (siehe Abb. C als Beispiel) erm?glicht die Auswahl des für die jeweilige Aufgabe geeigneten Schrittmotors. Jeder Schrittmotortreiber der Omegamation-Serie enth?lt Drehmoment-/Drehzahl-Kurven der jeweiligen für die Zusammenarbeit mit dem Schrittmotortreiber empfohlenen Schrittmotoren. Kommen für Ihre Drehmoment- und Drehzahlanforderungen mehrere Schrittmotoren in Frage, dann sollten Sie zuerst den für Ihre Antriebsanwendung am besten geeigneten Schrittmotortreiber ausw?hlen: Welche Schrittaufl?sung ben?tige ich? Ist eine Drehrichtungsvorwahl oder die Programmierbarkeit im Stand-Alone-Betrieb notwendig? Besteht Bedarf für einen Analogeingang oder für einen Mikroschrittbetrieb etc.? W?hlen Sie anschlie?end einen für den gew?hlten Schrittmotortreiber empfohlenen Schrittmotor aus. Die Auflistung der empfohlenen Schrittmotoren erfolgt auf Grundlage von umfangreichen Herstellertests, um so eine optimale Leistung der Kombination von Schrittmotor- und Schrittmotortreiber sicherzustellen.

W?hlen Sie den idealen Schrittmotor für Ihre Anwendung

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Ansteuerung der Schrittimpulse und Drehrichtungsvorwahl Ansteuerung der Schrittimpulse und Drehrichtungsvorwahl
Diese Schrittmotortreiber k?nnen von einem Controller (SPS bzw. PC) die Ansteuerungssignale für die Ausl?sung der Schrittimpulse, für eine Drehrichtungsvorwahl sowie für eine Freigabe / einen Betriebsstopp empfangen. Jeder Schrittimpuls veranlasst eine pr?zise Drehung der Motorwelle um einen bestimmten Winkel, wobei die Impulsfrequenz die Rotationsdrehzahl bestimmt. Das Drehrichtungssignal hingegen bestimmt die Rotationsdrehrichtung (im UZS bzw. gegen den UZS), w?hrend das Freigabesignal den Motorbetrieb startet oder stoppt.
Taktgeber Taktgeber
Schrittmotortreiber mit integriertem digitalen Taktgeber für den Anschluss eines Analogsignals oder Joysticks zur Drehzahlsteuerung. Diese Systeme werden haupts?chlich in Anwendungen eingesetzt, die eher eine kontinuierliche Bewegung als eine Positionssteuerung erfordern, z. B. Mischvorrichtungen und Dispenser.
Programmierbar im Stand-Alone-Betrieb Programmierbar im Stand-Alone-Betrieb
Alle Schrittmotortreiber dieser Serie lassen sich für einen Stand-Alone-Betrieb programmieren. Das Motion Control-Programm wird mit einer einfachen und kostenlos mitgelieferten Programmiersoftware erstellt, auf den Schrittmotortreiber geladen und beim Hochfahren ausgeführt. W?hrend des Betriebs wartet das Motion Control-Programm typischerweise auf ein Eingangssignal (z. B. Schaltersignal oder Tasterdruck), bevor es die programmierte Bewegung veranlasst.
High Performance High Performance
Diese Schrittmotortreiber sind mit erweiterten Funktionen ausgestattet wie etwa einer Diagnosefunktion, einem Fehlerschutzsystem, einem Auto-Abgleich, einer Gl?ttung von Drehmoment- und Befehlssignalwelligkeiten sowie mit Anti-Resonanz-Algorithmen. Einige Schrittmotortreiber sind im Stand-Alone-Betrieb programmierbar, w?hrend andere Schrittmotortreiber über Eing?nge zur Schrittimpuls- und Drehrichtungssteuerung und über Analogeing?nge verfügen. Diese Hochleistungs-Schrittmotortreiber stellen allerh?chste Leistungen für Ihr Motion-Control-System sicher.
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