Schrittmotor Treiber

Bei Zweiphasen-Schrittmotoren gibt es zwei grundlegende Wicklungsanordnungen, und zwar den unipolaren und den bipolaren Antrieb. Unipolare Antriebe sind für Motoren mit sechs Leitungen ausgelegt. Anstatt den Strom in jeder Phase umzukehren, schaltet der Antrieb einfach in jeder Phase den Strom von einer Spule zur anderen. Der unipolare Motorantrieb ist einfacher zu bedienen und kostengünstiger, erzeugt jedoch ein um etwa 30 Prozent geringeres Drehmoment als ein entsprechender bipolarer Motor, da immer nur die Hälfte der Wicklungen verwendet wird. Unipolare Motoren eignen sich daher am besten für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen.

Bipolare Antriebe eignen sich für Motoren mit vier Leitungen. Um den Rotor anzutreiben, kehrt die Elektronik im Controller den Strom in jeder Phase abwechselnd um. Bipolare Motoren erzeugen ein größeres Drehmoment als unipolare Anordnungen. Der Mechanismus ist jedoch etwas komplexer, sodass die Elektronik aufwändiger und manchmal auch teurer ist. Bei der bipolaren Anordnung lässt sich der Motor parallel oder in Reihe schalten, wobei die Reihenschaltung ein höheres Drehmoment bei niedriger Drehzahl ermöglicht, während die Parallelschaltung ein hohes Drehmoment bei hoher Drehzahl erzeugen kann.

Die Leistung von Schrittmotoren hängt auch stark von der Schaltung ab, die sich entweder als Connector für Konstantspannung oder Konstantstrom konfigurieren lässt. L/R-Antriebsschaltungen werden als Konstantspannungsantriebe bezeichnet, da an jede Wicklung eine positive oder negative Spannung angelegt wird, um die Schrittposition einzustellen. L/R steht für das elektrische Verhältnis von Induktivität zu Widerstand. Die Impedanz der Motorwicklung im Verhältnis zur Schrittgeschwindigkeit wird ebenfalls durch diese Parameter bestimmt. L/R-Schaltungen lassen sich so konfigurieren, dass sie sowohl bipolare als auch unipolare Schrittmotoren betreiben können.

Chopper-Antriebsschaltungen sind Konstantstromantriebe, da sie in jeder Wicklung einen relativ konstanten Strom erzeugen. Der Chopper hat seinen Namen von der Technik des schnellen Ein- und Ausschaltens der Ausgangsspannung, um so den Motorstrom zu steuern. Bei diesem Aufbau wird die beste Leistung von Motorspulen mit niedriger Impedanz und der höchsten verfügbaren Versorgungsspannung erzielt. Chopper-Antriebsschaltungen sind fast ausschließlich für bipolare Motoren im Einsatz. Im Vergleich zu einem L/R-Antrieb kann ein Schrittmotor mit einem Chopper-Antrieb ein größeres Drehmoment oder eine höhere Kraft bei höheren Geschwindigkeiten aufrechterhalten, allerdings mit zusätzlicher Elektronik auf der Platine für die Abtastung und Schaltsteuerung.

Zu den Schrittmodi von Schrittmotoren gehören Voll-, Halb- und Mikroschritt. Die Schrittmodi sind ein entscheidender Faktor für das Ausgangsdrehmoment des Schrittmotors und seine Auflösung. Einige Schrittmotortreiber verfügen über umschaltbare Schrittmodi zwischen Halbschritt und Vollschritt. Mikroschritt-Antriebe bieten entweder per Schalter oder per Software auswählbare Auflösungen.

Vollschritt-Schrittmotoren bewegen sich in Inkrementen der tatsächlichen magnetischen Rast-Positionen. Das bedeutet, dass es keine elektronische oder steuerungsbedingte Verbesserung der Auflösung gibt. Im Vollschrittmodus entspricht ein digitaler Impuls des Controllers im Wesentlichen einem Schritt.

Bei der Halbschrittsteuerung wird zunächst eine Wicklung erregt und danach zwei Wicklungen abwechselnd, wodurch sich der Rotor über die halbe Strecke dreht. So lässt sich die Winkelauflösung während des Antriebs verdoppeln. Der Rotor bewegt sich zur nächsten magnetischen Position, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird. Obwohl der Halbschrittmodus ein um etwa 30 Prozent geringeres Drehmoment liefert, führt er zu einer gleichmäßigeren Bewegung als der Vollschrittmodus und zu einer höheren Auflösung. 

Mikroschritt ist ein relativ neuer Schrittmodus, der aber inzwischen von vielen bipolaren Motoren unterstützt wird. In diesem Modus wird der Strom in der Motorwicklung elektronisch so gesteuert, dass die Anzahl der Positionen zwischen den Polen weiter unterteilt wird, wodurch sich ein Vollschritt in kleinere Schritte unterteilt. Wie der Halbschrittbetrieb liefert auch der Mikroschrittbetrieb ein um etwa 30 Prozent geringeres Drehmoment im Vergleich zum Vollschrittbetrieb. Außerdem ist der nicht kumulative Prozentsatz eines Fehlers in jedem Mikroschritt etwas größer als in einem Vollschritt. Der Mikroschrittbetrieb wird in der Regel bei Anwendungen eingesetzt, die eine genaue Positionierung und eine sanfte Bewegung über einen großen Geschwindigkeitsbereich erfordern.

Außerdem gibt eine Reihe von Betriebsparametern, die bei der Auswahl von Schrittmotor-Treibern eine wichtige Nebenrolle spielen. Dazu gehören die Konfiguration von Programmen und die Speicherung von Informationen sowie die Bedienung. Bei der Auswahl einer Steuerung ist auch die Kompatibilität mit dem im System verwendeten Computer-Bus oder der Architektur zu berücksichtigen. Vor allem bei der Ansteuerung starker Motoren ist zudem auf die Verwendung ausreichend dimensionierter Kühlkörper zu achten.

Recht populär ist in diesem Zusammenhang die Steuerung über eine H-Brücke im Zusammenspiel mit einem Arduino-Board. Es handelt sich dabei um einen integrierten Schaltkreis speziell für die Steuerung kleiner Motoren, der auch mit einem kleinen Arduino-Uno funktioniert. Einige der gängigsten Kommunikationsstandards für Schrittmotorsysteme sind Ethernet, RS232, RS485, TTL und USB.