Grundlagen Schrittmotor

Hier soll der Grundstein zum Betrieb von Schrittmotoren an Microcontrollern gelegt werden. Es werden in diesem Artikel:

  • Das Funktions Prinzip beschrieben
  • Einige Eigenschaften und Kenndaten benannt
  • Sowie ein paar Tips gegeben

Es gibt viele Quellen im Netz, welche die Grundlagen schon erschöpfend beschreiben. Es handelt sich hierbei mehr um eine Sammlung nützlicher Informationen und soll zum besseren Verständis meiner anderen Projekte beitragen. Auch ist diese Fassung nicht final, es werden immer mal wieder Informationen hinzukommen.

Eine gute Einführung gibt wie immer bei Wikipedia, den Artikel habe ich unten gelinkt. Sollten dennoch was Wichtiges fehlen oder Fragen bestehen einfach einen Kommentar da lassen, ich freue mich über (fast 😉 ) jede Rückmeldung.

Fakten,

Funktionsweise

Schrittmotoren bestehen wie andere einfache Gleichstrom-Motoren aus einer Welle, Festmagnet(en) und zwei oder mehr spulen. Es gibt auch andere Bauweisen, die hier aber keine Berücksichtigung finden sollen.

Unterschied zu simplen Gleichstrommotoren

Bei Gleichstrommotoren wird die Ansteuerung der Spulen durch den Kommutator (Polwender) gesteuert und befinden sich auf dem Stator der Welle. Zum Betrieb des Motors wird eine Spannung angelegt. Über die Polung der Spannung kann die Richtung und über die Höhe der Spannung die Geschwindigkeit geregelt werden.
Beim Schrittmotor sind die einzelnen Spulen nach aussen geführt und werden einzeln gesteuert. Sie befinden sich im Gehäuse, während auf der Welle ein Festmagnet sitzt. Die Reihenfolge der Aktierung der Spulen bestimmt die Richtung und die Geschwindigkeit wird über den Ansteuerungstakt festgelegt (Hohe Frequenz, schnelle Drehgeschwindigkeit).

Vorteile

Die Lage der Welle ist genau steuerbar und nach einer Justage bekannt. Somit können mit Schrittmotoren ohne zusätzlichen Messeinrichtungen wie Odometrien angesteuert werden.

Nachteile

Die Ansteuerung von Schrittmotoren ist physikalischen Grenzen unterworfen. Je nach Belastung der Welle und der Schaltgeschwindigkeit kann es zu Schrittverlusten kommen. Dies bedeutet es wird der nächste Schritte angesteuert, obwohl die Welle die Position des letzten Schrittes noch nicht ereicht hat. Bei Hohen Beschleunigungen und Geschwingkeiten wird auf Herkömmliche Motoren mit einer Messeinrichtung zurück gegriffen.

Eigenschaften

Es gibt unterschiedliche Eigenschaften die einen Schrittmotor auszeichnen, die wichtigsten sollen hier aufgeführt werden:

EigenschaftBeschreibung
Polanzahl Anzahl der Pole, bestimmt wie genau ein Schrittmotor gesteuert werden kann.
SchrittwinkelBeschreibt um wieviel Grad sich die Welle für einen Schritt dreht. (Beispiel 1.8° => 200 Schritte für 360°)
Schritte/ UmdrehungAnzahl der Schritte für eine Umdrehung der Welle (Siehe Schrittwinkel)
Drehmomentum Grundprinzip die Stärke des Motors abhängig vom Strom.
MicroschrittbetriebFeinere Ansteuerung der Spulen um Zwischenschritte und eine höhere Laufruhe zu erreichen.
Bipolar/UnipolarUnterschiedliche Ansteuerung der Spulen (Siehe hierzu den unten gelinkten Wikipedia Beitrag)
NEMANormung des Flanches bzw. der Lochabstände zur Befestigung des Motors (Nema 17 immer 42x42mm)

Anwendungsbereiche

  • Plotter
  • (3D) Drucker
  • Fräsen
  • CD Abspielgeräten
  • Scannern
  • Roboter Armen

Ansichten

Hier ein paar Beispiele für Schrittmotoren

Tricks und Tips

Poolpaare finden

Wichtig beim Schrittmotor ist zu wissen welche Polpaare zusammen gehören. Sie können durch messen des Widerstands zwischen zwei Anschlüssen bestimmt werden. Wird ein geringer Widerstand, gemessen gehört das Anschlusspaar zusammen.
Wenn ken Messgerät zur Hand ist, kann man auch die Kurzschlussmethode verwenden. Es werden zwei Adern , Beispielsweise mit einem Draht kurz geschlossen, dreht sich die Achse des Motors schwerer gerhören diese zusammen. (blah blah Induktion bla… blah … ) . Probierts mal aus, es funktioniert.

Ansteuerung über Controller

Die überwiegende Zahl der Schrittmotoren kann wegen ihrer Leisungsaufnahme nicht direkt am Microcontroller betrieben werden. Hierfür bedarf es einer sog. Motorbrücke oder auch Stepperdriver genannt. Diese wird mit dem geringen Strom des Controllers gesteuert und Regelt die Spannung/ den Strom eine externe Spannungsquelle zum Motor. Hier ein paar Links zu bestehenden Beiträgen.

Bibliotheken

Es gibt unmengen an Bibliotheken zum Betrieb von Schrittmotoren hier exemplarisch ein paar die ich auch schon verwendet habe meist gerhören sie zur entsprechenden Zusatzplatine.

In der Arduino Gui ist eine Schrittmotor Bibliothek enthalten, diese wird über
#include <Stepper.h>
eingebunden. Im Datei Menü, bei den Beispielprogrammen befinden sich auch welche für die Stepper Bibliothek.

Von Adafruit für den Arduino Motorshield V1 https://github.com/adafruit/Adafruit-Motor-Shield-library

Von Adafruit für den Arduino Motorshield V2 https://github.com/adafruit/Adafruit_Motor_Shield_V2_Library

Für den schnellen Schritt 😉
https://github.com/Stan-Reifel/SpeedyStepper

Verwandte Beiträge

Quellen

https://de.wikipedia.org/wiki/Schrittmotor

https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichstrommaschine

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