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Gleichstrommotoren


Schrittmotore

Reluktanz -Schrittmotor Innenschaltung

Reluktanz-Schrittmotor


Permanent-Schrittmotor


Anwendungsbeispiel


Schrittmotorsteuerung über Micro-Controler


Anwendungsmöglichkeiten im Kfz





















Schrittmotore sind spezielle Gleichstrommotore, bei denen die Drehbewegung nicht kontinuierlich ist, sondern die Welle schrittweise jeweils um einen bestimmten Winkel a gesteuert werden kann / muss. Die vielfältigen Bauformen und Baugrößen von Schrittmotoren lassen sich im allgemeinen auf drei Grundtypen zurückführen Hier beschäftigen wir uns mit einem Reluktanzschrittmotor und dem Permanentschrittmotor.









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Reluktanz-Schrittmotor

Permanent-Schrittmotor









Der Stator (feststeheder Motorteil) dieses Reluktanzmotors besteht aus Weicheisen und bildet 3 Polpaare, die jeweils 120° gegeneinader versetzt sind. Jedes Polpaar ist mit einer Wicklung versehen (Strang 1 (blau), Strang2(grün),. Strang 3,( rot) ), so dass jeweils bei Bestromung eines Strangs ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt wird.
Der Rotor (drehbarer Motorteil) dieses Reluktanzmotors besteht aus einem Kreuz aus Weicheisen. Sowohl Stator als auch Rotor sind keine Permanentmagneten, leiten aber einen magnetischen Fluss besonders gut.

Ohne Ansteuerung der einzelnen Stränge des Stators kann sich der Rotor frei drehen. Es gibt keine Kräfte und daher auch kein Haltemoment bzw. Rastmoment.



Schrittmotor Innenschaltung Ausgangslage Sobald nun z.B. Strang 1 (blau) bestromt wird, bildet sich am Stator oben ein Nordpol und gegenüber ein Südpol. Der magnetische Kreis bildet sich über den Stator und den senkrechten Schenkel des Rotors aus. Dadurch entsteht ein Drehmoment, das versucht, den Rotor in eine Lage zu ziehen, wie sie im nebenstehenden Bild gezeichnet ist. Hat der Rotor diese Lage erreicht, ist der magnetische Kreis optimal geschlossen, der magnetische Widerstand (Reluktanz) des Kreises hat nun den geringsten Wert. Die Kräfte und Momente verschwinden in exakt dieser Stellung.






Schrittmotor Innenschaltung Schritt1 Nun schaltet man den Strom vom Strang 1 auf den Strang 2 (grün) um. Jetzt liegt das zweite Polpaar des Rotors dem angesteuerten Stator am nächsten. Wiederum tritt ein Drehmoment auf, welches den Rotor in die nächste Position zieht. Der Motor hat einen Schritt ausgeführt.








Schrittmotor Innenschaltung Schritt2 Um einen weiteren Schritt auszuführen, ist der Strom vom Strang 2 auf den Strang 3 (rot) umzuschalten. Damit ist ein kompletter Ansteuerzyklus ausgeführt.

Während ein Strang vom Strom durchflossen wird, haben die anderen Stränge Pause.









Schrittmotor Innenschaltung Schritt3 Nach drei Schaltschritten hat dieser Motor also genau eine Viertel Umdrehung vollbracht, der Schrittwinkel beträgt also genau 30°. Durch die Festlegung der Polpaarzahl im Stator und die dazu passende Gestaltung des Rotors lassen sich natürlich Motoren mit anderen Schrittwinkeln konstruieren.
Interessant ist, dass die Magnetspulen im Gegenzeigersinn angesteuert werden, die Motorwelle sich jedoch im Uhrzeigersinn dreht.
Soll der Motor weiterdrehen, muss nun wieder Strang 2 bestromt werden, ... .











Schrittmotorsteuerung Auf diesem Bild wird der Gesamtaufwand zum Betrieb eines Schrittmotors dargestellt:
Im Rechner wird ein geeignetes Programm abgelegt, das die Schaltbefehle (Drehrichtung und Schrittzahl) enthält. Der Rechner übermittelt diese Befehle über eine 2-Draht-Leitung Das Steuermodul setzt diese Befehle um und steuert die 3 Endstufentransistoren für die 3 Stränge des Schrittmotors an. Über Leitung +Ub liegen alle Stränge dauerhaft auf + Potential. Sobald ein Transistor GND durchschaltet, ist der Stromkreis des entsprechenden Strangs geschlossen.














Reluktanz-Schrittmotor



Permanent-Schrittmotor

Anwendungsbeispiel









Permanentstepper  bipolar Prinzip Ausgangsstellung Dieser Permanent Schrittmotor (Schrittmotor mit Dauermagnet als Rotor) hat ein Ständergehäuse aus Weicheisen (blau) (um den magnetischen Fluss zu leiten). Außerdem findet man am Ständer 4 Polschuhe mit den zugehörigen Ständerwicklungen, von denen die zwei gegenüberliegenden jeweils in Reihe geschaltet sind. Die Anschlüsse der Wicklungspaare muss so sein, dass sich ihre Magnetfelder jeweils zu einem homogenen Feld im Motorinneren ergänzen.
Der Läufer besteht bei diesem Motor jedoch aus einem einpolpaarigen Permanentmagneten mit einem Nord- und einem Südpol.

Elektrische Schaltung und Schritterzeugung:

Eine geeignete Gleichspannungsquelle (U) ist über den Schalter S1 zu- / abschaltbar. Wenn S1 geöffnet ist, sind alle 4 Spulen im Motor stromlos und er lässt sich durchdrehen, wobei jedoch die Schrittweite deutlich spürbar ist.

Immer dann, wenn der Rotor genau einer Ständerwicklung gegenübersteht, ist der magnetische Fluss maximal, und der Rotor ist nur gegen einen merklichen Widerstand aus dieser Stellung herauszudrehen. Dies gilt auch für den stromlosen Zustand, jedoch ist dann der Widerstand gegen Verdrehung kleiner

Permanentstepper  bipolar Prinzip Schritt1 Schaltet man S1 ein, so fließt Strom durch alle Wicklungen L1 ... L4, so dass sich z.B. die im oberen Bild dargestellte Situation ergibt. Der Rotor stellt sich passend zum Gesamtmagnetfeld, dass aus der Überlagerung der durch alle Ständerwicklungen erzeugten Einzelmagnetfelder resultiert.

Versucht man nun, die Welle zu bewegen, benötigt man ein wesentlich größeres Drehmoment als im stromlosen Zustand. Dieses Moment nennt man Rastmoment oder Haltemoment. (Der Motor hat sozusagen die Handbremse angezogen.)
ACHTUNG: Ein sich nicht bewegender Schrittmotor bedeutet nicht STROMLOS. Es kann der Haltestrom fließen, der zu einer deutlichen Erwärmung des Motors bis zur Überhitzung führen kann.


Betätigt man nun S4, so ändert sich die Stromrichtung durch L2 und L4 und damit auch die Magnetfeldpolung dieser Spulen. Daraus folgt natürlich auch eine Verdrehung des aus allen 4 Spulen resultierenden Magnetfelds, wodurch ein Drehmoment auf den Rotor entsteht, das ihn in die neue Stellung zieht.

Da die Spannung an den Spulen ihre Polarität je nach Schalterstellung ändert, heißt dieser Motor bipolarer Schrittmotor (zwei Polungen). Nach außen ist der Motor durch vier Anschlussleitungen verbunden.
Permanentstepper  bipolar Prinzip Schritt2 Betätigt man nun S3, so ändert sich die Stromrichtung durch L1 und L3 und damit auch die Magnetfeldpolung dieser Spulen. Daraus folgt natürlich auch eine Verdrehung des aus allen 4 Spulen resultierenden Magnetfelds, wodurch ein Drehmoment auf den Rotor entsteht, das ihn in die neue Stellung zieht.

Die in diesem Bild eingezeichneten gelben Linien sollen die magnetischen Flusslinien darstellen. Wie man sieht, ist in dieser Rotorstellung der Weg des magnetischen Flusses durch die Luft minimal. Damit wirkt gerade in dieser Stellung kein Drehmoment auf den Rotor. Versucht man jedoch den Rotor etwas aus dieser Lage herauszudrehen, so wirkt dem ein zunächst stärker werdendes Magnetfeld entgegen, gleichgültig in welche Richtung man zu drehen versucht. Der Rotor ist somit in einem stabilen Gleichgewicht.
Wie alle magnetischen Feldlinien sind auch diese in sich geschlossen.
Permanentstepper  bipolar Prinzip Schritt3 Schaltet man nun S4 wieder in seine Ursprungsstellung, so ändert sich die Stromrichtung durch L2 und L4 und damit auch die Magnetfeldpolung dieser Spulen. Daraus folgt natürlich auch eine Verdrehung des aus allen 4 Spulen resultierenden Magnetfelds, wodurch ein Drehmoment auf den Rotor entsteht, das ihn in die neue Stellung zieht.

Slebstverständlich kann man diese Schaltung nachbauen und ausprobieren, insbesondere zur Demonstration der Funktion eines Schrittmotors. Dann kommt es auf die Geschwindigkeit und das Geschick des Bedieners an, wie gleichmäßig und flott sich der Motor dreht.
Da für diese Motorsteuerung jedoch nur 2 Zustände (dual) von 2 Schaltern zuständig sind, ist für diese etwas stupide Arbeit ein Digitalrechner besser geeignet als jeder Mensch: Der kann sehr gut zählen und sehr schnell schalten. In allen industriellen Anwendungen werden Schrittmotoren daher von einem Rechnerprogramm gesteuert.
Permanentstepper  bipolar Prinzip Schritt4 Um nun endlich eine Umdrehung zu vervollständigen, muss nur noch S3 wieder in seine Ursprungsstellung gebracht werden. Für 360° sind also bei diesem Motor vier Schaltvorgänge erforderlich. Der Schrittwinkel beträgt also 90°.

Reale Schrittmotoren haben oft Schrittwinkel von 1,8°, 2° oder 2,5°. Dies erzielt man durch mehr Polpaare im Ständer aber vor allen Dingen durch Gestaltung des Rotors.


Eine nette Stepper Animation hierzu findet man auf der Site von Ian Harries
























































































Schrittmotor unipolar Schaltplan Den Schaltplan von einem unipolaren Schrittmotor sehen Sie links im Bild. Der Name deutet an, dass jede der acht Ständerwicklungen nur in eine Richtung vom Strom durchflossen wird, falls überhaupt. Auf jedem Polschuh sind zwei entgegengesetzt gewickelte Spulen, von denen je 2 gegenüberliegende so zusammengeschaltet sind, dass sich deren Magnetfelder zu einem möglichst homogenen Magnetfeld in der Motromitte überlagern. Unipolare Schrittmotore erkennt man an den fünf oder sechs Anschlussleitungen, je nach dem, ob die Masse für alle Spule gemeinsam herausgezogen wird oder jeweils für 2 Spulenpaare getrennt.

Auch dieser Motor wird dadurch betätigt, das man abwechselnd die Schalter S2 und S3 schaltet.

Unipolare Schrittmotore haben den Vorteil, dass die elektronische Schaltung zur Ansteuerung einfacher sein kann.

























Permanent-Schrittmotor



Anwendungsbeispiel

Schrittmotorsteuerung über Micro-Controler









Beispiele für Schrittmotoren:


Die Industrie bietet unterschiedlichste Schrittmotortypen. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind: Schrittmotorsteuerung Der hier gezeigte Typ ist ein Permanentschrittmotor. Die 5 Anschlussleitungen lassen darauf schließen, dass es ein unipolarer Motor ist, d.h. jede Wicklung wird vom Strom immer in derselben Richtung durchflossen.



Schrittmotorsteuerung Auch dieser Motor hat als Rotor einen vielpolpaarigen Permanentmagneten. Durch Widerstandsmessung an den Anschlussleitungen erhält man jeweils an den beiden roten und blauen Anschlüssen einen Wert von 3,2W. Da es also nur 2 Spulen im Motor gibt, müssen die Spulen abwechselnd in verschiedenen Richtungen Strom leiten. Diese Motoren nennt man bipolar.













Schrittmotorsteuerung Die Innenansicht eines ebenfalls bipolaren Schrittmotors zeigt dieses Bild. Die Büroklammer gehört natürlich nicht zum Motor. Sie soll lediglich beweisen, dass der Rotor als Permanentmagnet ausgeführt ist.






















Schrittmotorsteuerung Auch winzige Schrittmotoren sind verfügbar. Diese erzeugen naturgemäß auch nur kleine Drehmomente. Im Kfz findet man solche Motörchen z.B. als Zeigerantrieb der Instrumente im Armaturenbrett.













Steppermotor Berger RDM 57

mit den technischen Daten :
Modellauto Das Fahrzeug besteht aus einem Gitterrohrramen mit je einem Berger RDM 57 Schrittmotor an beiden Hinterrädern und einem schwenkbaren Rad vorn. Das Fahrzeug wird über Steuermodule an den PC (LPT1) angeschlossen. Da die Motore einzeln exakt und unabhängig ansteuerbar sind, kann man mit einer geeigneten Programmierung verschiedene Bewegungen erzeugen:
  • geradeaus vorwärts:beide Räder werden gleichzeitig mit gleicher Schrittzahl mit entgegengesetztem Drehsinn angetrieben.
  • geradeaus rückwärts beide Räder werden gleichzeitig mit gleicher Schrittzahl mit entgegengesetztem Drehsinn entgegen Vorwärtsfaht angetrieben.
  • Kurvenfahrt: die Schrittzahl der Räder ist hierbei unterschiedlich.
  • Drehen auf der Stelle: beide Räder werden gleichzeitig mit gleicher Schrittzahl im gleichen Drehsinn angetrieben.
Mit der programmierbaren Frequenz (Schritte/s) kann die Geschwindigkeit der Motoren verändert werden.
























Zu kaufen gibt´s Schrittmotore und Zubehör z.B. bei
mir-electronic







Anwendungsbeispiel



Schrittmotorsteuerung über Micro-Controler

Anwendungsmöglichkeiten im Kfz












Schrittmotorsteuerung mit Micro-Controler


Der Schaltplan zeigt eine Möglichkeit, zwei unipolare Schrittmotore mit einem
Microcontroler zu treiben.


Schrittmotorsteuerung über Micro-Controler



Anwendungsmöglichkeiten im Kfz

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Schrittmotore eigenen sich für den Einsatz im Kfz z.B. an folgenden Stellen:
Der Einsatz von Schrittmotore bietet sie gegenüber herkömmlichen Gleichstrommotoren den Vorteil, dass sie im Prinzip ohne Positionssensor auskommen, da das Steuergerät einfach die Anzahl verstellten Schritte und die Verstelltrichtung registriert und daher die Position kennt. Meist jedoch baut man an einem Anschlag einen Schalter, und fährt den Motor ab und an absichtlich gegen diesen Anschlag. Damit bekommt das Steuergerät Sicherheit über die absolute Position des Schrittmotors.




Eine Menge weiterer Informationen über Schrittmotore sowie passende Links findet man auf den Internet-Sites von Thorsten Ostermann oder bei Ian Harries















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