Schrittmotor Krischkowsky Markus 5AHELT 2011/12.

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1 Schrittmotor Krischkowsky Markus 5AHELT 2011/12

2 Einleitung Besteht üblich aus einem Stator und einem Rotor
Die Drehbewegung ist nicht kontinuierlich Die Drehbewegung entsteht durch Ein- und Ausschalten einzelner Wicklungen Ein Schrittmotor besteht aus einem feststehenden Stator und einem darin drehenden Rotor. Das Drehmoment, welches den Rotor antreibt, entsteht durch unterschiedlich ausgerichtete Magnetfelder im Stator und Rotor. Der Rotor dreht sich immer so, dass sich der grösstmögliche magnetische Fluss ausbildet. Im Gegensatz zu andern Motoren befinden sich beim Schrittmotor nur im Stator Spulen. Die Drehbewegung entsteht also durch gezieltes Ein- und Ausschalten einzelner Wicklungen. Um die Position des Rotors zu bestimmen, genügt es, von einer Ausgangslage die Schritte im bzw. gegen den Uhrzeigersinn zu zählen und mit dem Schrittwinkel zu multiplizieren.

3 Arten von Schrittmotoren:
Der Reluktanz Schrittmotor Der Permanentmagnetmotor Hybrid Schrittmotor

4 Der Reluktanz Schrittmotor
War der erste in der Schrittmotorfamilie Rotor besteht aus weichmagnetischem Material Hat kein magnetisches Rastmoment Der Reluktanz Schrittmotor war der erste in Serienmotor der Schrittmotorfamilie. Ohne Bestromung der Motorwicklungen ist nahezu kein magnetisches Rastmoment. Der Rotor mit seinen gezahnten Polen ist nicht permanetmagnetisch, sondern besteht aus weichmagnetischem Material. (die sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lassen) Der gezahnte Rotor, die gezahnten Pole und der äußere Rückschluß sind aus Weicheisen gefertigt. Um die Pole sind die Wicklungen W1...W4 gewickelt. In der gezeichneten Stellung ist W4 eingeschaltet. Die Rotorzähne richten sich auf die Polzähne so aus, daß minimale Reluktanz (magnetische Widerstand ) entsteht. Wird nun W4 ausgeschaltet, und dafür W1 erregt, bewegt sich der Rotor um 1/4 Zahnteilung (einen Schritt) im Uhrzeigersinn. Beim Fortschalten (Kommutieren) des Stromes nach W2 -> W3 -> W4 wird jeweils ein weiterer Schritt ausgeführt. Die Stromrichtung ist dabei egal, weil nur Weicheisen angezogen wird. Nach 4 Schritten hat sich der Rotor also einen Zahn weitergedreht. Das dargestellte Modell hat 25 Zähne und 4 Phasen, also 100 Schritte/Umdrehung.

5 Der Permanentmagnetmotor:
Hat einen zylindrischen Rotor Hat auch ohne Bestromung einen Rastmoment Nachteilig ist die grobe Schrittteilung Der PM Schrittmotor (PM = Permanentmagnet) hat einen zylindrischen Rotor, welcher abwechselnd mit Süd- und Nordpolen magnetisiert ist. Die Pole des Stators inklusive seines magnetischen Rückschlusses schliessen den durch die Dauermagnete des Rotors erzeugten magnetischen Kreis. Im nicht bestromten Motor existiert somit ein geschlossener magnetsicher Kreis. Damit hat der Motor bereits ohne Zuführung von Energie ein magnetisches Rastmoment. Der unbelastete Motor nimmt somit eine Vorzugsstellung ein, und zwar so, dass sich die Pole von Rotor und Stator gegenüberstehen. Der Permanentmagnetmotor hat im Rotor Magnete, die als Zähne ausgebildet sind. Die Magnetisierungsrichtung ist von Zahn zu Zahn umgekehrt. Die gegenüberliegenden Wicklungen sind jeweils parallel geschaltet, so daß sie einen gemeinsamen magn. Fluß durch den Rotor treiben. In der gezeichneten Stellung stellt W1 dem Rotor einen Südpol und W3 einen Nordpol gegenüber. Um einen Schritt im Uhrzeigersinn auszuführen, könnten W1 und W3 abgeschaltet - und W2 und W4 in entsprechender Polarität eingeschaltet werden. Der nächste Schritt wird dann durch Abschalten von W2/W4 und Wiedereinschalten von W1/W3 in umgekehrter Polarität erzeugt. Der Vorteil gegenüber dem Reluktanzmotor ist der höhere Induktionshub, was ein höheres Drehmoment bewirkt. Nachteilig ist die grobe Schrittteilung. Der dargestellte Motor hat 6 Zähne und 2 Phasen also 12 Schritte/Umdrehung. Eine Erhöhung der Polzahl des Rotors bringt eine feinere Schrittauflösung (mehr Schritte pro Motorumdrehung) mit sich. Die übliche Schrittmotoren besitzen 25, 50 oder noch mehr Rotorpole (abwechselnd magnetisierte Rotorzähne). Somit lassen sich Schrittauflösungen von 100, 200, 500 bis zu 2000 Vollschritte pro Motorumdrehung realisieren.

6 Hybrid Schrittmotor Eine Kombination aus Reluktanz und Permanentmagnet
Ist heute der am meisten eingesetzte Motor typ Eine Kombination aus Reluktanz und Permanentmagnet Schrittmotor ist der Hybrid-Schrittmotor. Der Rotor ist im Grunde ein Sandwich, bestehend aus zwei weichmagnetischen und gezahnten Polschuhen mit dazwischenliegendem Dauermagneten.

7 Hybrid Schrittmotor Die Polschuhe sind gegeneinander um eine ½ Zahnbreite versetzt. Der Stator ist ebenfalls gezahnt. Um das Statorpaket herum liegen die Motorwicklungen. Der Hybrid Schrittmotor ist heute der am meisten eingesetzte Motortyp, da er hohe mechanische Leistungen bei kleinen Schrittwinkeln und kleiner Bauform vereint. Die gebräuchlichsten Schrittauflösungen liegen zwischen 50 und 2000 Schritte pro Motorumdrehung.

8 ANSTEUERTECHNIK Wave Drive (Immer nur eine Motorphase ansteuern)
Normal Betrieb (Ansteuern von zwei Phasen gleichzeitig ) Halbschritt Betrieb (Kombination beider Möglichkeiten) Der Schrittmotor dreht sich bei jeder Spulenumpolung einen 'Schritt' weiter (daher sein Name). Erfolgt die Umschaltung schnell genug, geht der Rotor in eine Drehbewegung über. Ein 2phasen Schrittmotor besitzt 2 um 90° versetzte Motorspulen. Somit stehen die beiden Drehmomentvektoren beider Motorphasen im rechten Winkel zueinander. Um ein Drehfeld zu erzeugen gibt es mehrere Möglichkeiten: Immer nur eine Motorphase ansteuern. Ansteuern von zwei Phasen gleichzeitig. Kombination beider Möglichkeiten

9 Wave Drive Nur eine Spule bestromt 4 Schritten
Ansteuern von immer nur einer Stromphase. Das Ansteuermuster wiederholt sich jeweils nach 4 Schritten. Der Rotor des Schrittmotors wird sich in jedem Schritt entsprechend den gezeigten Vektor (elektrisch) ausrichten. 9

10 Normal Betrieb beide Spulen gleichzeitig bestromt höheres Drehmoment
um 45° verschoben Es werden immer zwei Motorphasen gleichzeitig angesteuert. Dies ergibt den selben Schrittwinkel aber ein um höheres Drehmoment wie beim Wave-Drive, jedoch um 45° verschoben. Der Name "Normal Mode" besagt bereits, dass dies die übliche Ansteuervariante für eine 2phasen Motor im Vollschritt ist. 10

11 Halbschritt Betrieb Kombination aus Normal Betrieb und Wave Drive
8 Schrittpositionen Größere Auflösung kleineres Drehmoment Kombination aus Wave drive und Normal betrieb. Es wird wechselweise eine, bzw. zwei Spulen bestromt. Es ergeben sich 8 Schrittpositionen. Daher kommt die Bezeichnung Halbschritt, da der physikalische Schrittwinkel des Motors halbiert wird. Die Auflösung ist grösser, dafür das Drehmoment kleiner. 11

12 Positionen Obere Reihe „Wavedrive-Betrieb”; untere Reihe “Normal-Betrieb“; beide Reihen „Halbschritt-Betrieb“

13 Micro-Schritt-Betrieb
z.B.: 0.18 Grad Schritte/Umdrehung Höhere Auflösung Im Mikro-Schritt-Betrieb kann der natürlicher Schrittwinkel des Motors in viel kleinere Winkel geteilt werden. Z.B. hat ein Standard 1.8°-Motor 200 Schritte/Umdrehung. Wenn der Motor mit einem „divide-by-10“ Mikro-Schritt angesteuert wird, dann dreht jeder Mikro-Schritt den Motor 0.18 Grad und es ergeben sich Schritte/Umdrehung. Normalerweise reichen Mikro-Schritt-Betriebe von „divide-by-10“ bis „divide-by-256“ ( Schritte/ Umdrehung für einen 1.8-Grad-Motor). Die Mikro- Schritte werden erzeugt, indem man den Strom in den zwei Wicklungen entsprechend einer Sinus und Kosinus-Funktionen fliessen lässt. Dieser Modus wird nur verwendet, wo kleiner Lärm / Vibration oder mehr Auflösung angefordert wird.

14 Danke für eure Aufmerksamkeit