Aufgrund ihrer Genauigkeit und relativ einfachen Ansteuerung werden Schrittmotoren vielfach eingesetzt. Zwar lassen sich hohe Genauigkeitsniveaus auch mit Gleich- und Wechselstrommotoren erreichen, doch Schrittmotoren bieten zusätzliche Vorteile: Sie sind auch im ungeregelten Betrieb präzise, entwickeln ein hohes Drehmoment selbst bei niedriger Drehzahl und sind oft kosteneffizienter sowie weniger komplex als Servomotoren. Im Gegensatz zu bürstenlosen Gleichstrommotoren können sie zudem ihre Position mit hohem Drehmoment halten.

Microstepping im Zusammenhang mit Schrittmotoren ermöglicht eine feinere Auflösung der Bewegungen. Dadurch nimmt die Anzahl der diskreten Rotorstellungen pro Umdrehung erheblich zu, während Geräusch- und Vibrationspegel sinken.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Schrittmotor (engl.: Stepper Motor oder kurz Stepper) besteht aus einem magnetischen Rotor und Statorspulen. Zweiphasige Hybrid-Schrittmotoren verfügen über einen Rotor mit zwei magnetischen Kränzen, die jeweils typischerweise 50 Zähne besitzen (Bild 1). Diese Magneten haben entgegengesetzte Polarität und sind mechanisch gegeneinander versetzt. Der Stator besteht aus zwei Spulen, die an mehreren Positionen um den zentralen Rotor herum angeordnet sind. Durch sequenzielles Bestromen der einzelnen Phasen wird der Rotor in Drehung versetzt.

Bild 2. Funktionsweise eines Hybrid-Schrittmotors. © Analog Devices

Ein Schrittmotor bewegt sich nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Winkelschritten. Ein Motor mit 200 diskreten Positionen pro Umdrehung hat beispielsweise einen Schrittwinkel von 1,8°. Diesen Wert erhält man, indem man die 360° einer vollen Umdrehung durch die Zahl der Vollschritte dividiert:

Gleichung (1): Step Angle = 360° / # of Full Steps  

Bild 3. Vereinfachter zweiphasiger Schrittmotor mit Permanentmagnet-Rotor. © Analog Devices

Wie in Bild 2 illustriert, erzeugt das Bestromen der Motorspulen ein Magnetfeld, das den Permanentmagnet-Rotor anzieht bzw. abstößt. Durch periodische Änderung der Bestromung dreht sich der Rotor, da das Magnetfeld ihm stets vorauseilt (Bild 3).

Vollschrittbetrieb

Bild 4. Vollschrittbetrieb bei einem zweiphasigen Schrittmotor. © Analog Devices

Im Vollschrittbetrieb werden die beiden Spulen abwechselnd mit positiven oder negativen Strömen angeregt. Dies erzeugt das maximale Drehmoment und versetzt den Rotor in eine Drehung. Das Umschaltmuster folgt der Sequenz in Bild 4.

Bild 5. Überschwinger und Oszillationen im Vollschrittbetrieb. © Analog Devices

Vorteile des Vollschrittbetriebs sind hohe Präzision, exakte Drehzahlregulierung und ein hohes Haltemoment. Allerdings entstehen Vibrationen und Lärm (Bild 5), da der Rotor beim Positionswechsel überschießt und Resonanzen entstehen können.

Während der vereinfachte Motor mit einem magnetischen Polpaar im Vollschrittbetrieb vier diskrete Positionen pro Umdrehung ermöglicht, steigt die Zahl der Vollschritte pro Umdrehung bei einem Motor mit 50 magnetischen Polpaaren auf 200.

Gleichung (2): 200 Full Steps per Resolution = 50 Pole-Pais × 4 Positions

Bei dieser Anordnung kann der Motor in bestimmte Positionen bewegt werden, in denen sich die Zähne des Rotors gemäß dem Magnetfeld der Spulen ausrichten.

Halbschrittbetrieb

Bild 6. Halbschrittbetrieb bei einem zweiphasigen Schrittmotor. © Analog Devices

Beim Halbschrittbetrieb wird ein zusätzlicher Stromzustand eingeführt, wodurch sich die Anzahl der Rotorpositionen pro Polpaar verdoppelt (Bild 6). Dies reduziert Vibrationen und verbessert die Positionsauflösung.

Der Motortreiber realisiert das Halbschrittverfahren, indem er zwischen ein- und zweiphasiger Anregung hin- und herwechselt. Das Drehmoment nimmt bei niedrigen Drehzahlen geringfügig zu, jedoch reduziert sich das Haltemoment in der Halbschritt-Position. Dies wird üblicherweise als „inkrementales Drehmoment“ bezeichnet.

Der Nachteil: Da der Motor relativ große Positionssprünge ausführt, erfolgt die Drehung nicht gleichmäßig. Das Problem tritt besonders bei niedrigen Drehzahlen auf. Hier setzt der Mikroschrittbetrieb (Microstepping) an.

Das Microstepping

Bild 7. Stromstärke in den Spulen im Mikroschrittbetrieb. © Analog Devices

Beim Microstepping können zusätzliche Zwischenpositionen zwischen den Vollschritten angefahren werden, wodurch sich die Positionsauflösung und Laufruhe erhöhen (Bild 7). Dadurch reduziert sich der Weg von einem Mikroschritt zum anderen. Dies reduziert Oszillationen und verbessert das Vibrationsverhalten und damit die Geräuschentwicklung.

Beim Microstepping werden die Motorspulen mit sinusförmigen Strömen angesteuert, welche vom Motortreiber geregelt werden. Die Präzision hängt von der Auflösung des D/A-Umsetzers im Motortreiber ab. Trinamic-Schrittmotortreiber von ADI ermöglichen bis zu 256 Mikroschritte und bis zu 51.200 diskrete Positionen pro Umdrehung, was einer Schrittauflösung von 0,007 ° entspricht.  

Obwohl Microstepping die Positionsauflösung erhöht, verbessert es nicht zwingend die Positionsgenauigkeit, da Fertigungstoleranzen und Belastungen Einfluss haben. Zudem sinkt das inkrementale Drehmoment mit steigender Mikroschrittzahl (Tabelle 1).

Unter der Positionsgenauigkeit versteht man die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position des Motors. Während das Microstepping mit seiner größeren Zahl diskreter Positionen die Positionsauflösung verbessert, nimmt die Positionsgenauigkeit nicht zu. Die Genauigkeit des Motors wird durch die konstruktiv bedingte Toleranz, die Belastung des Motors und die Fähigkeit des Motortreibers bestimmt, die Motorwicklungen mit den erforderlichen Strömen zu beaufschlagen. Diese Faktoren beeinflussen die Genauigkeit des Motors unabhängig davon, ob er im Voll- oder Mikroschrittbetrieb betrieben wird.

Das inkrementale Drehmoment ist als Drehmoment definiert, das zum Bewegen des Motors aus seiner bestehenden Position im Stillstand erforderlich ist. Im Vollschrittbetrieb ist der magnetische Rotor exakt auf die Motorwicklungen ausgerichtet, sodass sich das maximale, dem Nenn-Haltemoment des Motors entsprechende Haltemoment einstellt. Im Mikroschrittbetrieb dagegen verringert sich das inkrementale Drehmoment abhängig von der Mikroschritt-Position, in der sich der Motor befindet.

Näherungsweise berechnen lässt sich das inkrementale Drehmoment mit Gleichung (3):

Gleichung (3): T_INC = T_HOLD × sin (90°/SDR)      

T_INC ist das inkrementale Drehmoment in Nm

T_HOLD ist das Vollschritt-Haltemoment in Nm

SDR (Step Division Ratio) ist das Schritt-Teilungsverhältnis oder der Nenner des gekürzten folgenden Bruchs:

Gleichung (4): Step Position / Step Resolution = 128 / 256 = 1/2      

Beim Schritt-Teilungsverhältnis handelt sich um die Schrittposition dividiert durch die Schrittauflösung. Ein Beispiel: Wird ein Motor mit 256 Mikroschritten in einer Halbschrittposition, also bei Step-Position 128, gehalten, ist das SDR in diesem Fall 2. Das inkrementale Drehmoment verringert sich auf 70,709 % des Haltemoments des Motors.

Gleichung (5): T_INC = T_HOLD × (90°/2) = T_HOLD × 0,70709

Im folgenden Beispiel wird der Motor in der Mikroschritt-Position 7/256 gehalten:

Gleichung (6): Step Position / Step Resolution = 7 / 256 

Hier ist SDR gleich 256, und das inkrementale Drehmoment geht auf 0,61 % des Haltemoments zurück.

Gleichung (7): T_INC = T_HOLD × (90°/256) = T_HOLD × 0,00614

Der Zusammenhang zwischen SDR und inkrementalem Drehmoment ist in Tabelle 1 zusammengefasst.

Während das inkrementale Drehmoment zum Halten des Motors in Mikroschritt-Positionen abnimmt, bleibt das Drehmoment beim Drehen des Motors weitgehend unbeeinflusst. In Bewegung haben die reduzierten inkrementalen Drehmomente daher keine praktische Auswirkung. Wenn ein hohes Haltemoment erforderlich ist, sollte der Motor vorzugsweise in Voll- oder Halbschritt-Positionen gehalten werden.

Anwendungen des Mikroschrittbetriebs

Viele Schrittmotor-Anwendungen profitieren vom Microstepping. Im 3D-Druck werden eine hohe Positionsauflösung und geringe Vibrationen benötigt, um präzise Druckergebnisse zu erzielen. In der medizinischen Bildgebung und bei Robotern für chirurgische Eingriffe liegt der Fokus auf geräuscharmem Betrieb und genauer Positionierung, um den Komfort und die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten.

Durch die verringerte Schrittweite reduzieren sich auch die Überschwinger, was mehrere Vorteile mit sich bringt: weniger Vibrationen, verbesserter Wirkungsgrad und gleichmäßigere Bewegung. Mechanische Vibrationen führen zu Energieverlusten und können in bestimmten Anwendungen, etwa in CNC-Fräsmaschinen, zu erhöhtem Verschleiß und einer geringeren Zuverlässigkeit beitragen. Indem Microstepping mechanische Vibrationen und die Geräuschentwicklung minimiert, kann es zudem den Energie- und Wartungsaufwand von Antriebssystemen reduzieren.

Weitere Einsatzgebiete des Mikroschrittbetriebs sind Ausrüstungen für die medizinische Forschung, Ventilbetätigungen, Luftpumpen, Überwachungskameras, Roboter und die Fabrikautomation.

Die Schrittmotorprodukte der Trinamic-Reihe von ADI unterstützen den Mikroschritt-Betrieb mit bis zu 256 Mikroschritten. Einige Bauelemente sind mit der MicroPlyer-Technologie ausgestattet, einer Mikroschritt-Interpolationstechnik, die es ermöglicht, auch ältere Anwendungen mit geringerem Aufwand auf eine höhere Mikroschritt-Auflösung umzustellen.

Die Autorinnen

Cindy Chang ist Anwendungsingenieurin in der Central Applications Group von Analog Devices.

Tea Tran ist Anwendungsingenieurin in der Central Applications Group bei Analog Devices.