Ein Schrittmotor ist ein zweiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor. Dabei wird die Motorwelle in mehreren kleinen Schritten bewegt. Der Schrittantrieb gibt mittels individueller elektrischer Impulse den Befehl, einen Schritt auszuführen. Schrittmotoren werden in den meisten Fällen in einem Antriebssystem mit offenem Regelkreis eingesetzt. Im Unterschied zu Servosystemen sind weder ein Encoder noch eine Rückführeinheit erforderlich. Die Positionsregelung erfolgt stattdessen, indem der Antrieb die Anzahl der Schrittbefehle ausgehend von einem bekannten Ausgangspunkt abzählt.
Was ist ein Schrittmotor?
Wie funktioniert ein Schrittmotor?
Diese Motoren sind so konzipiert, dass jede Umdrehung in eine Abfolge gleich großer Schritte unterteilt ist (in der Regel 200), und bieten so eine schnelle, präzise Positionierung der Last sowie ein herausragendes Haltemoment bei jedem dieser inkrementellen Schritte. Mithilfe von Mikroschrittantrieben lässt sich jeder Schritt in noch kleinere Schritte unterteilen, wodurch nahezu die unendliche Positionsregelung eines Servomotors erreicht werden kann, ohne komplizierte Rückführsysteme oder ein System mit geschlossenem Regelkreis zu erfordern.
Die Positionierung bei Schrittmotoren wird durch zwei Permanentmagnete gesteuert, die am Rotor befestigt sind und durch zwei Wicklungsphasen am Stator angetrieben werden. Die feinen Zähne am Rotor und Statorbleche steuern den Winkel jedes einzelnen Schritts. Durch die Umkehr der Stromrichtung in jeder Wicklung durch den Schrittantrieb bewegt sich der Rotor schrittweise vorwärts, was ausgehend von einem bekannten Ausgangspunkt eine exakte Positionsregelung ermöglicht.
Merkmale eines Schrittmotors
Schrittwinkel. Die meisten Schrittmotoren haben 200 Zähne, was einen Schrittwinkel von 1,8° ergibt (360º/200 = 1,8º). Eine ausgeklügeltere Steuerung des Gleichstroms, der den Motor versorgt, ermöglicht auch kleinere Schritte. Wirken beispielsweise nacheinander positiver Strom, kein Strom und negativer Strom auf jede Windung ein, beträgt die Schrittweite 0,9° (Halbschritt). Eine exakte Steuerung der Menge des Stroms, der durch die einzelnen Windungen fließt, ermöglichen auch Mikroschritte, wobei bis zu 1/250 eines Vollschritts von 1,8° erreicht werden kann, was eine nahezu Servo-ähnliche Leistung bedeutet.
Unipolar im Vergleich zu bipolar. Unipolare Schrittmotoren haben zwei Spulen mit einem gemeinsamen Mittelabgriff. Die Verbindung am Ende der Spulen wird alternierend getrennt und wiederhergestellt, wodurch ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird. Die Spulen werden abwechselnd erregt. Bipolare Schrittmotoren haben zwei Spulen mit voneinander unabhängigen Anschlüssen, die gleichzeitig erregt werden können, wobei der Strom jeweils in beide Richtungen fließen kann. Das erfordert einen komplexeren Antrieb, bietet aber auch zusätzliche Leistungsvorteile, wie zum Beispiel ein höheres dynamisches Drehmoment und Haltemoment aufgrund der höheren vorhandenen magnetischen Feldenergie.
Gleichstrom im Vergleich zu Wechselstrom. Die meisten Schrittmotoren werden über den Antrieb mit Gleichstrom versorgt. Es gibt aber auch Schrittmotoren mit Wechselstromantrieb. Diese sind Synchronmotoren, wobei die Drehzahl direkt proportional zur Wechselstromfrequenz steht – so beträgt beispielsweise bei120 V AC, 60 Hz die Motordrehzahl 72 U/min. Diese Drehzahl kann nur durch Änderung der Wechselstromfrequenz oder durch Einsatz eines Getriebes variiert werden. Im Unterschied dazu wird die Drehzahl eines Schrittmotors mit Gleichstrom durch die variable Impulsrate bestimmt, die die Antriebselektronik liefert.
Hybrid-Schrittmotoren im Vergleich zu anderen Motoren. Schrittmotoren mit variabler Reluktanz sind einfach aufgebaut. Ihr nicht-magnetischer, gezahnter Rotor wird vom gewickelten Stator nur dann angezogen, wenn der Stator erregt ist. Nachteilig sind der laute Antrieb und das kleine Drehmoment, weshalb diese Motoren nur selten für industrielle Anwendungen eingesetzt werden.
Bei Permanentmagnet-Schrittmotoren, auch Becherstapel-Motoren genannt, besteht der Rotor aus einem Permanentmagneten, der abwechselnd mit Süd- und Nordpolen magnetisiert ist, und aus zwei übereinandergestapelten Statorspulen (bzw. „Bechern“). Die typische Schrittweite beträgt 3,6°. Diese Motoren haben ein relativ kleines Drehmoment und eine relativ geringe Drehzahl.
Hybrid-Schrittmotoren kombinieren einen gezahnten Permanentmagnet-Rotor mit einem gezahnten elektromagnetischen Stator. Für industrielle Anwendungen sind diese Motoren im Allgemeinen am besten geeignet, da sie eine deutlich höhere Auflösung, ein höheres dynamisches Drehmoment und Haltemoment sowie einen größeren nutzbaren Drehzahlbereich als andere Motortypen bieten.
Einfache Einrichtung. Da Schrittmotoren weder Encoder noch andere Rückführeinheiten und auch kein Rückführkabel benötigen, sind sie deutlich einfacher und wirtschaftlicher einzurichten und abzustimmen als Servomotoren. Ohne Rückführung muss das System die Rotorposition jedoch ausgehend von einem bekannten Ausgangspunkt berechnen.
Wofür wird ein Schrittmotor eingesetzt?
Schrittmotoren werden in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt, da eine exakte Positionierung möglich ist und sie ein hohes Drehmoment bieten. Typische Anwendungsfelder von Schrittmotoren sind:
Fertigung und Robotertechnik. Für Prozesse mit hoher Wiederholgenauigkeit, z. B. Indexierungsbewegungen mit relativ festen Lasten, sind Schrittmotoren ideal geeignet.
Werkzeugmaschinen und Metallformung. Schrittmotoren bieten eine kostengünstige Antriebssteuerung für Materialhandhabung, Umformen, Schleifen, Bohren und weitere Anwendungen.
Gesundheitswesen. Schrittmotoren bieten einen zuverlässigen, kontrollierten Antrieb für Ventilatoren, Pumpen, Laboranalysatoren, die Produktion von Impfstoffen und Arzneimitteln und mehr.
Druck, Verpackung und Verarbeitung. Bahnverarbeitung, Ausstanzen, Laminieren, Falten, Prägen und ähnliche Prozesse profitieren häufig von einem einfachen, kostengünstigen Schrittantrieb.
Schrittantriebe eignen sich auch gut für viele andere Branchen und Anwendungen. Gemeinsam mit Ihnen besprechen wir Ihre spezifischen Anforderungen und finden die beste Lösung.
Vergleich von Schrittmotoren mit anderen Motortechnologien
Schrittmotoren im Vergleich zu Servomotoren.Schrittmotoren bewegen sich in einer festgelegten Anzahl von Schritten pro Umdrehung, die durch individuelle Impulse vom Schrittantrieb gesteuert werden. Servomotoren haben diese festgelegten Schritte nicht. Stattdessen werden durch ein Rückführsystem und Datenverkabelung Informationen über die Rotorposition an den Servoverstärker gesendet, der den Strom laufend anpasst, um Positionierfehler zu korrigieren. Erfahren Sie, wie Sie die richtige Entscheidung treffen.
Schrittmotoren im Vergleich zu Asynchronmotoren. In der Vergangenheit wurden Asynchronmotoren hauptsächlich für Anwendungen eingesetzt, bei denen nur eine einzige Geschwindigkeit erforderlich war, wie z. B. bei Förderanlagen. Moderne Asynchronmotoren und -antriebe können zwar über eine Rückführung verfügen, doch um eine nahezu servoähnliche Steuerung ohne den Einsatz von Rückführgeräten zu erreichen, sind Schrittmotoren in der Regel die bessere Wahl.
Vor- und Nachteile von Schrittmotoren. Schrittmotoren stellen eine kostengünstige Lösung für Anwendungen dar, die präzise Punkt-zu-Punkt-Positionierungen von relativ konstanten und stabilen Lasten erfordern. Schrittmotoren eignen sich auch für Anwendungen, die ein hohes Haltemoment erfordern. Schrittantriebe sind einfach einzurichten und abzustimmen, sollten aber nicht bei variierenden und unvorhersehbaren Lasten eingesetzt werden, da sonst möglicherweise Schritte übersprungen und der Maschinenbetrieb beeinträchtigt werden.
Servoantriebe sind bei hochdynamischen Anwendungen möglicherweise die bessere Wahl, wenn Störkorrektur mit hoher Bandbreite, höhere Drehzahlen und höhere Dauer- und Spitzendrehmomente im gesamten Drehzahlbereich erforderlich sind. Servosysteme bieten ein Höchstmaß an Positioniergenauigkeit, Geschwindigkeitsregelung und Dynamik.
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