Schrittmotor: Funktion und Ansteuerung

Stell dir vor, du sollst einen Druckkopf auf einer Schiene exakt um 12,5 mm verschieben – immer wieder, zuverlässig, ohne nachzumessen. Mit einem gewöhnlichen Motor wäre das mühsam: Du müsstest seine Drehung messen, vergleichen und nachregeln. Der Schrittmotor löst das Problem auf eine elegantere Weise. Er bewegt sich in abzählbaren Schritten. Wenn ein Schritt einem bestimmten Winkel entspricht und der Winkel über eine Spindel in einen Weg umgerechnet wird, dann reicht es, die richtige Anzahl Schritte vorzugeben.

Der entscheidende Punkt: Das funktioniert gesteuert, nicht geregelt. Die Steuerung gibt eine bestimmte Zahl von Schritten aus und geht davon aus, dass der Motor sie auch wirklich ausgeführt hat – ohne Rückmeldung, ob die Position tatsächlich erreicht wurde. Solange die Last nicht zu groß wird, stimmt diese Annahme. Das spart einen Lagesensor und die zugehörige Regelelektronik, und genau das macht den Schrittmotor in vielen Geräten so attraktiv.

Man findet ihn deshalb überall, wo kleine bis mittlere Kräfte präzise positioniert werden: in 3D-Druckern und kleinen CNC-Fräsen, in Druckern und Scannern, in Dosier- und Schlauchpumpen, in Stellantrieben von Klappen und Ventilen. Überall dort zählt die genaue Position mehr als hohe Leistung oder Drehzahl.

Vom Servomotor unterscheidet sich der Schrittmotor genau in diesem Punkt: Der Servo arbeitet mit einer ständigen Lagerückmeldung über einen Geber und regelt seine Position aktiv nach. Der Schrittmotor verzichtet im Normalfall darauf. Servoantriebe sind ein eigenes Thema und werden hier nicht vertieft.

Ein Schrittmotor besteht – wie die meisten Elektromotoren – aus einem feststehenden Stator und einem drehbaren Rotor. Im Stator sitzen mehrere Wicklungen, die zu Strängen zusammengefasst sind. Jeder Strang bildet, wenn er Strom führt, ein Magnetfeld mit ausgeprägten Polen. Die meisten Schrittmotoren haben zwei solche Stränge, oft Strang A und Strang B genannt.

Das Grundprinzip ist einfacher, als es zunächst klingt. Erregt man einen Strang, entsteht ein Magnetfeld in einer bestimmten Richtung. Der Rotor richtet sich danach aus – er dreht sich so, dass er möglichst „gut“ zu diesem Feld passt. Schaltet man nun den Strom auf den nächsten Strang um, springt das Magnetfeld weiter, und der Rotor folgt ihm um einen Schritt. Indem die Elektronik die Stränge in der richtigen Reihenfolge nacheinander erregt, wandert das Magnetfeld Stück für Stück um den Stator herum, und der Rotor läuft ihm hinterher. Genau das ist die schrittweise Drehung.

Damit die Schritte fein genug werden, sind Stator und Rotor with vielen Zähnen versehen. Das Feld muss dann nicht einmal pro Umdrehung umlaufen, sondern rastet von Zahn zu Zahn weiter – daraus ergeben sich die typischen kleinen Schrittwinkel. Wie genau, sehen wir in Kapitel 4.

Wie die Wicklungen angeschlossen sind

Ein Detail beim Aufbau entscheidet später über die Art der Ansteuerung: wie die Stränge des Stators nach außen verdrahtet sind. Hier gibt es zwei Bauformen.

Bei der ersten Bauform hat jeder Strang eine Mittelanzapfung – also einen zusätzlichen Anschluss in der Mitte der Wicklung. Damit lässt sich jede Wicklungshälfte einzeln bestromen, und der Strom kann eine Spulenhälfte immer in derselben Richtung durchfließen. Die Elektronik dafür ist einfach, weil die Stromrichtung nie umgekehrt werden muss. Diese Bauform mit Mittelanzapfung ist die Grundlage für die später besprochene unipolare Ansteuerung.

Bei der zweiten Bauform wird jeder Strang nur über seine zwei Spulenenden herausgeführt, ohne Mittelanzapfung. Um das Feld umzukehren, muss hier die Stromrichtung durch die gesamte Wicklung umgedreht werden. Das verlangt eine aufwändigere Endstufe, nutzt dafür aber die ganze Wicklung und liefert mehr Drehmoment. Diese Bauform ist die Grundlage für die bipolare Ansteuerung.

Es lohnt sich, diese beiden Verdrahtungsarten im Kopf zu behalten – in Kapitel 5 bauen die Begriffe unipolar und bipolar direkt darauf auf.

Schrittmotoren unterscheiden sich vor allem darin, wie der Rotor aufgebaut ist. Daraus ergeben sich verschiedene Schrittwinkel und ein unterschiedliches Drehmomentverhalten.

Beim Permanentmagnet-Schrittmotor ist der Rotor ein Dauermagnet mit festen Nord- und Südpolen. Er wird vom erregten Statorfeld angezogen und abgestoßen. Diese Bauart liefert auch im stromlosen Zustand ein gewisses Rastmoment, hat aber meist größere Schrittwinkel und damit eine gröbere Auflösung. Sie ist einfach und günstig.

Beim Reluktanz-Schrittmotor besteht der Rotor aus Weicheisen mit Zähnen, ohne eigene Magnetisierung. Er nutzt das Bestreben des Weicheisens, sich so auszurichten, dass der magnetische Widerstand – die Reluktanz – möglichst klein wird. Der Rotor dreht sich also in die Stellung, in der das Feld den leichtesten Weg findet. Ohne Strom hat diese Bauart kein Rastmoment, weil kein Dauermagnet vorhanden ist.

Der Hybrid-Schrittmotor kombiniert beides: einen dauermagnetischen Rotorkern mit feiner Verzahnung. Er vereint das hohe Drehmoment und das Rastmoment der Permanentmagnet-Bauart mit der feinen Auflösung der verzahnten Reluktanz-Bauart. Mit ihm erreicht man die heute üblichen kleinen Schrittwinkel von 1,8°, was 200 Schritten pro Umdrehung entspricht. Der Hybrid-Schrittmotor ist deshalb die in der Praxis am weitesten verbreitete Bauart.

Der Schrittwinkel gibt an, um welchen Winkel sich der Rotor bei einem einzelnen Schritt weiterdreht. Aus ihm folgt unmittelbar, wie viele Schritte eine volle Umdrehung benötigt:

Ein Motor mit 1,8° Schrittwinkel braucht also 360° / 1,8° = 200 Schritte für eine volle Umdrehung. Das ist der heute mit Abstand häufigste Wert. Andere gängige Werte sind 0,9° (400 Schritte) und bei einfachen Permanentmagnet-Motoren 7,5° (48 Schritte).

Kennt man die Schritte pro Umdrehung, lässt sich umgekehrt aus einer gewünschten Anzahl Schritte der zurückgelegte Drehwinkel berechnen:

So entsteht der direkte Zusammenhang zwischen Schrittzahl und Position – die Grundlage dafür, dass man ohne Lagesensor genau positionieren kann.

Bisher haben wir die Stränge nur „erregt“ oder „nicht erregt“ betrachtet. In Wirklichkeit entscheidet das genaue Bestromungsmuster der beiden Stränge darüber, wie fein und wie ruhig der Motor läuft. Drei Betriebsarten haben sich eingebürgert.

Im Vollschritt wird in jeder Schrittstellung entweder ein Strang oder es werden beide Stränge gleichzeitig voll bestromt. Der Rotor springt von einer vollen Schrittstellung zur nächsten. Das ist die einfachste Ansteuerung und liefert das volle Schrittwinkel-Raster, also zum Beispiel 200 Schritte pro Umdrehung.

Im Halbschritt schaltet die Elektronik zwischen den Vollschrittstellungen jeweils eine Zwischenstellung ein, in der nur ein Strang bestromt ist. Damit verdoppelt sich die Anzahl der Schritte pro Umdrehung – aus 200 werden 400. Der Lauf wird etwas ruhiger, weil die Sprünge kleiner sind.

Im Mikroschritt geht man noch weiter: Statt die Stränge nur ein- und auszuschalten, regelt die Elektronik den Strom in beiden Strängen in feinen Stufen, näherungsweise sinus- und cosinusförmig. Das Magnetfeld kann dadurch jede beliebige Zwischenrichtung einnehmen, und der Rotor lässt sich in viele kleine Zwischenstellungen führen. Übliche Mikroschrittfaktoren sind 1/4, 1/8 oder 1/16 – ein Faktor von 1/16 bedeutet, dass jeder Vollschritt in 16 kleinere Schritte unterteilt wird. Der Lauf wird deutlich ruhiger und leiser, und Resonanzen treten seltener auf. Die effektive Auflösung steigt entsprechend:

Wichtig ist, dass die feine Auflösung im Mikroschritt vor allem die Laufruhe verbessert. Die tatsächlich erreichbare Positioniergenauigkeit ist wegen Fertigungstoleranzen und Lasteinflüssen oft gröber, als die rechnerische Mikroschrittzahl vermuten lässt.

Unipolare und bipolare Ansteuerung

An dieser Stelle zahlt sich der Blick auf die Wicklungen aus Kapitel 2 aus. Bei der unipolaren Ansteuerung wird the Motor mit Mittelanzapfung verwendet. Der Strom fließt immer nur durch eine Wicklungshälfte und stets in derselben Richtung; das Umpolen des Feldes geschieht, indem man zwischen den beiden Hälften umschaltet. Die Elektronik ist einfach, weil sie die Stromrichtung nie umkehren muss. Der Nachteil: Immer nur die halbe Wicklung ist aktiv, das Drehmoment fällt geringer aus.

Bei der bipolaren Ansteuerung wird der Motor ohne Mittelanzapfung über die beiden Spulenenden betrieben. Um das Feld umzukehren, dreht die Endstufe die Stromrichtung durch die ganze Wicklung um. Das erfordert eine aufwändigere Schaltung – eine sogenannte H-Brücke je Strang –, nutzt dafür aber die volle Wicklung und liefert mehr Drehmoment. Die meisten modernen Treiber arbeiten bipolar.

Der Schrittmotortreiber

Die eigentliche Leistungselektronik steckt im Schrittmotortreiber, der Endstufe zwischen Steuerung und Motor. Die übergeordnete Steuerung – etwa eine SPS oder ein Mikrocontroller – gibt dem Treiber meist nur zwei einfache Signale: einen Takt (jeder Impuls bedeutet einen Schritt) und ein Richtungssignal (legt fest, ob vorwärts oder rückwärts geschritten wird). Der Treiber erzeugt daraus die richtigen Strommuster für die beiden Stränge.

Moderne Treiber arbeiten im Chopper-Betrieb: Sie schalten die Spannung sehr schnell ein und aus und regeln so den Strom in der Wicklung gezielt auf einen Sollwert. Damit lässt sich auch bei höheren Schrittfrequenzen noch genügend Strom in die Wicklung treiben – ein Punkt, der im nächsten Kapitel wichtig wird.

Solange der Schrittmotor seine Schritte sauber ausführt, stimmt die Position ohne jede Rückmeldung. Diese Verlässlichkeit hat aber Grenzen, und die hängen am Drehmoment.

Im Stillstand hält ein bestromter Schrittmotor seine Position mit dem Haltemoment fest – das ist das größte Drehmoment, das man aufbringen kann, ohne dass der Rotor aus seiner Schrittstellung herausgedreht wird. Daneben gibt es bei Permanentmagnet- und Hybridmotoren das Rastmoment: ein kleines Moment, das den Rotor auch im stromlosen Zustand in bestimmten Stellungen festhält, weil der Dauermagnet mit den Statorzähnen zusammenwirkt. Das Rastmoment merkt man, wenn man eine solche Motorwelle von Hand dreht – sie rastet spürbar von Stellung zu Stellung.

Warum das Drehmoment mit der Drehzahl sinkt

Das nutzbare Drehmoment bleibt nicht konstant, sondern fällt mit steigender Schrittfrequenz ab. Der Grund liegt in der Induktivität der Wicklungen. Eine Spule setzt jeder schnellen Stromänderung einen Widerstand entgegen – der Strom kann nicht beliebig schnell ansteigen, sondern braucht eine gewisse Zeit, die durch das Verhältnis von Induktivität zu Widerstand bestimmt wird. Bei niedriger Schrittfrequenz hat der Strom in jedem Schritt genug Zeit, seinen vollen Wert zu erreichen, und das Magnetfeld ist kräftig. Bei hoher Schrittfrequenz wird ein Strang aber schon wieder abgeschaltet, bevor der Strom überhaupt seinen Sollwert erreicht hat. Das Magnetfeld bleibt schwach, und damit bricht das Drehmoment ein.

Genau hier hilft der im vorigen Kapitel erwähnte Chopper-Betrieb: Indem der Treiber mit einer höheren Spannung arbeitet und den Strom gezielt regelt, treibt er den Strom schneller in die Wicklung und hält das Drehmoment bis zu höheren Frequenzen aufrecht. Ganz aufheben lässt sich der Effekt aber nicht.

Start-Stopp- und Betriebsbereich

Aus diesem Verhalten ergeben sich zwei wichtige Frequenzgrenzen, die man in Datenblättern findet. Die Start-Stopp-Frequenz (auch Pull-in genannt) gibt an, bis zu welcher Schrittfrequenz der Motor aus dem Stillstand heraus sofort anlaufen und ebenso abrupt stoppen kann, ohne Schritte zu verlieren. Die höhere Betriebsfrequenz (Pull-out) gibt an, bis zu welcher Frequenz der Motor mit der Last weiterläuft, wenn man ihn vorher langsam dorthin beschleunigt hat. Will man also schnell drehen, darf man nicht direkt mit hoher Frequenz starten, sondern muss über eine Beschleunigungsrampe in den Betriebsbereich hochfahren.

Resonanz und Schrittverluste

Ein zweites Problem ist die Resonanz. Bei bestimmten Schrittfrequenzen kann der Rotor in Schwingungen geraten, weil er nach jedem Schritt etwas überschwingt und nachschwingt. Trifft die Schrittfrequenz die Eigenfrequenz dieses Schwingsystems, schaukelt sich die Bewegung auf, der Motor läuft rau und kann im Extremfall Schritte verlieren. Mikroschrittbetrieb mildert das, weil die kleineren Schritte weniger Anregung bedeuten.

Der Schrittverlust ist die eigentliche Achillesferse: Wird der Motor überlastet oder zu schnell beschleunigt, schafft er einen Schritt nicht und bleibt zurück. Weil es keine Rückmeldung gibt, merkt die Steuerung davon nichts – sie zählt weiter, als wäre alles in Ordnung. Die reale Position weicht ab diesem Moment dauerhaft vom Sollwert ab. Dagegen helfen: ausreichende Drehmomentreserve bei der Auslegung, sanfte Beschleunigungs- und Bremsrampen statt abrupter Frequenzsprünge und Mikroschritt zur Vermeidung von Resonanzen.

Wer die fehlende Rückmeldung nicht in Kauf nehmen will, kann den Schrittmotor mit einem Drehgeber ausstatten und so einen geschlossenen Regelkreis aufbauen. Damit lassen sich Schrittverluste erkennen und korrigieren – die Lagerückführung über Geber ist allerdings ein eigenes Thema und wird hier nicht vertieft.