Was ist ein Schrittmotor und wie funktioniert er?

Von einem einfachen DVD-Player oder Drucker in Ihrem Zuhause bis zu einer hoch entwickelten CNC-Maschine oder einem Roboterarm sind Schrittmotoren fast überall zu finden. Aufgrund seiner Fähigkeit, elektronisch gesteuerte präzise Bewegungen auszuführen, finden diese Motoren Anwendung in vielen Bereichen wie Überwachungskameras, Festplatten, CNC-Maschinen, 3D-Druckern, Robotik, Montagerobotern, Laserschneidern und vielem mehr. In diesem Artikel erfahren Sie, was diese Motoren so besonders macht und welche Theorie dahinter steckt. Wir werden lernen, wie Sie eine für Ihre Anwendung verwenden.

Einführung in Schrittmotoren

Wie alle Motoren haben auch die Schrittmotoren einen Stator und einen Rotor, aber im Gegensatz zu einem normalen Gleichstrommotor besteht der Stator aus einzelnen Spulensätzen. Die Anzahl der Spulen hängt vom Typ des Schrittmotors ab. Verstehen Sie jedoch zunächst, dass bei einem Schrittmotor der Rotor aus Metallpolen besteht und jeder Pol von einem Spulensatz im Stator angezogen wird. Das folgende Diagramm zeigt einen Schrittmotor mit 8 Statorpolen und 6 Rotorpolen.

Wenn Sie sich die Spulen am Stator ansehen, sind sie in Spulenpaaren angeordnet, so wie A und A 'ein Paar bilden und B' ein Paar bilden und so weiter. Jedes dieser Spulenpaare bildet also einen Elektromagneten und kann einzeln mit einer Treiberschaltung erregt werden. Wenn eine Spule erregt wird, wirkt sie als Magnet und der Rotorpol wird darauf ausgerichtet. Wenn sich der Rotor dreht, um sich an den Stator anzupassen, wird dies als ein Schritt bezeichnet. In ähnlicher Weise können wir durch Erregen der Spulen in einer Sequenz den Motor in kleinen Schritten drehen, um eine vollständige Drehung durchzuführen.

Arten von Schrittmotoren

Es gibt hauptsächlich drei Arten von Schrittmotoren, die auf der Konstruktion basieren:

• Schrittmotor mit variabler Reluktanz: Sie haben einen Eisenkernrotor, der zu den Statorpolen hin angezogen wird und eine Bewegung durch minimale Reluktanz zwischen Stator und Rotor ermöglicht.
• Permanentmagnet-Schrittmotor: Sie haben einen Permanentmagnetrotor und werden je nach angelegten Impulsen abgestoßen oder zum Stator hin angezogen.
• Hybrid-Synchron-Schrittmotor: Sie sind eine Kombination aus variablem Reluktanz- und Permanentmagnet-Schrittmotor.

Abgesehen davon können wir die Schrittmotoren basierend auf der Art der Statorwicklung auch als unipolar und bipolar klassifizieren.

• Bipolarer Schrittmotor: Die Statorspulen dieses Motortyps haben keinen gemeinsamen Draht. Der Antrieb dieser Art von Schrittmotor ist unterschiedlich und komplex, und auch die Ansteuerschaltung kann ohne einen Mikrocontroller nicht einfach ausgelegt werden.
• Unipolarer Schrittmotor: Bei dieser Art von Schrittmotor können wir das Mittenabgriff beider Phasenwicklungen für eine gemeinsame Masse oder für eine gemeinsame Leistung verwenden, wie unten gezeigt. Dies macht es einfach, die Motoren anzutreiben, es gibt auch viele Typen von unipolaren Schrittmotoren

Okay, im Gegensatz zu einem normalen Gleichstrommotor hat dieser fünf Drähte in allen ausgefallenen Farben und warum ist das so? Um dies zu verstehen, sollten wir zuerst wissen, wie ein Stepper, den wir bereits besprochen haben. Erstens drehen sich Schrittmotoren nicht, sie treten und werden daher auch als Schrittmotoren bezeichnet. Das heißt, sie bewegen sich jeweils nur einen Schritt. Diese Motoren haben eine Folge von Spulen, und diese Spulen müssen auf eine bestimmte Weise erregt werden, damit sich der Motor dreht. Wenn jede Spule erregt wird, macht der Motor einen Schritt und eine Folge von Erregung bewirkt, dass der Motor kontinuierliche Schritte unternimmt, wodurch er sich dreht. Schauen wir uns die im Motor vorhandenen Spulen an, um genau zu wissen, woher diese Drähte stammen.

Wie Sie sehen können, hat der Motor eine unipolare 5-adrige Spulenanordnung. Es gibt vier Spulen, die in einer bestimmten Reihenfolge erregt werden müssen. Die roten Drähte werden mit +5 V versorgt und die verbleibenden vier Drähte werden zur Auslösung der jeweiligen Spule auf Masse gezogen. Wir verwenden einen beliebigen Mikrocontroller, um diese Spulen in einer bestimmten Reihenfolge zu aktivieren und den Motor die erforderliche Anzahl von Schritten ausführen zu lassen. Auch hier gibt es viele Sequenzen, die Sie verwenden können. Normalerweise wird eine 4-Stufen- Steuerung verwendet, und für eine genauere Steuerung kann auch eine 8-Stufen- Steuerung verwendet werden. Die Sequenztabelle für die 4-Schritt-Steuerung ist unten gezeigt.

Schritt	Spule erregt
Schritt 1	A und B
Schritt 2	B und C.
Schritt 3	C und D.
Schritt 4	D und A.

Warum heißt dieser Motor nun 28-BYJ48 ? Ernsthaft!!! Ich weiß es nicht. Es gibt keinen technischen Grund für diesen Motor, so benannt zu werden. Vielleicht sollten wir nicht viel tiefer in sie eintauchen. Schauen wir uns einige wichtige technische Daten an, die aus dem Datenblatt dieses Motors im Bild unten stammen.

Das ist ein Kopf voller Informationen, aber wir müssen uns einige wichtige ansehen, um zu wissen, welchen Steppertyp wir verwenden, damit wir ihn effizient programmieren können. Zuerst wissen wir, dass es sich um einen 5-V-Schrittmotor handelt, da wir das rote Kabel mit 5 V versorgen. Dann wissen wir auch, dass es sich um einen Vierphasen-Schrittmotor handelt, da er vier Spulen enthält. Das Übersetzungsverhältnis beträgt nun 1:64. Dies bedeutet, dass die Welle, die Sie außen sehen, nur dann eine vollständige Umdrehung ausführt, wenn sich der Motor innen 64 Mal dreht. Dies liegt an den Zahnrädern, die zwischen Motor und Abtriebswelle angeschlossen sind. Diese Zahnräder tragen zur Erhöhung des Drehmoments bei.

Ein weiteres wichtiges Datenelement ist der Schrittwinkel: 5,625 ° / 64. Dies bedeutet, dass sich der Motor, wenn er in einer 8-Schritt-Sequenz arbeitet, für jeden Schritt um 5,625 Grad bewegt und 64 Schritte (5,625 * 64 = 360) benötigt, um eine volle Umdrehung durchzuführen.

Berechnung der Schritte pro Umdrehung für Schrittmotor

Es ist wichtig zu wissen, wie die Schritte pro Umdrehung für Ihren Schrittmotor berechnet werden, da Sie ihn nur dann effektiv programmieren / antreiben können.

Nehmen wir an, wir betreiben den Motor in einer 4-Schritt-Sequenz, sodass der Schrittwinkel 11,25 ° beträgt, da er für eine 8-Schritt-Sequenz 5,625 ° (im Datenblatt angegeben) beträgt, 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

Schritte pro Umdrehung = 360 / Schrittwinkel Hier 360 / 11,25 = 32 Schritte pro Umdrehung.

Warum brauchen wir Treibermodule für Schrittmotoren?

Die meisten Schrittmotoren arbeiten nur mit Hilfe eines Treibermoduls. Dies liegt daran, dass das Steuerungsmodul (Mikrocontroller / Digitalschaltung) nicht genügend Strom von seinen E / A-Pins liefern kann, damit der Motor funktioniert. Wir werden also ein externes Modul wie das ULN2003- Modul als Schrittmotortreiber verwenden. Es gibt viele Arten von Treibermodulen, und die Bewertung eines Moduls ändert sich je nach verwendetem Motortyp. Das Hauptprinzip für alle Treibermodule besteht darin, genügend Strom zu liefern, damit der Motor funktioniert. Abgesehen davon gibt es auch Treibermodule, in denen die Logik vorprogrammiert ist, aber wir werden hier nicht darauf eingehen.

Wenn Sie neugierig sind, wie man einen Schrittmotor mit einem Mikrocontroller und einem Treiber-IC dreht, haben wir viele Artikel über seinen Betrieb mit verschiedenen Mikrocontrollern behandelt:

• Schrittmotor mit Arduino Uno verbinden
• Schrittmotor mit STM32F103C8 verbinden
• Schrittmotor mit PIC-Mikrocontroller verbinden
• Schrittmotor mit MSP430G2 verbinden
• Schrittmotor-Schnittstelle mit 8051-Mikrocontroller
• Schrittmotorsteuerung mit Raspberry Pi

Jetzt glaube ich, dass Sie genug Informationen haben, um jeden Schrittmotor zu steuern, den Sie für Ihr Projekt benötigen. Schauen wir uns die Vor- und Nachteile von Schrittmotoren an.

Vorteile von Schrittmotoren

Ein Hauptvorteil des Schrittmotors besteht darin, dass er eine ausgezeichnete Positionssteuerung aufweist und daher für eine präzise Steuerungsanwendung verwendet werden kann. Außerdem hat es ein sehr gutes Haltemoment, was es zu einer idealen Wahl für Roboteranwendungen macht. Schrittmotoren haben auch eine höhere Lebensdauer als normale Gleichstrom- oder Servomotoren.

Nachteile von Schrittmotoren

Wie alle Motoren haben auch Schrittmotoren ihre eigenen Nachteile, da sie sich durch kleine Schritte drehen und keine hohen Drehzahlen erreichen können. Außerdem verbraucht es Energie, um das Drehmoment zu halten, selbst wenn es ideal ist, wodurch der Stromverbrauch erhöht wird.