Kleinschrittdreher
Wie Schrittmotoren funktionieren und wie Sie Fehler finden
Arbeitet eine Maschine mit präzisen Bewegungen, treibt diese meist ein Schrittmotor an. Die bürstenlosen Motoren stecken in vielen Bastelprojekten, funktionieren jedoch nur mit speziellen Treiber-Chips. So bringen Sie die Motoren zum Drehen.
Die Zukunft bewegt sich mit Elektromotoren. Die gibt es für Gleich-, Wechsel- und dreiphasige Wechselspannung, mit Bürsten und ohne, mit Permanentmagneten innen, außen oder auch nur mit Kupferwicklungen. Viele setzen die verfügbare elektrische Energie in möglichst viel Bewegung um, aber manche arbeiten präziser und halten bei Bedarf auch mal still.
Die Kraft der Bewegung entspringt stets einem Magnetfeld, das zumindest zum Teil eine stromdurchflossene Spule erzeugt. Das Gegenstück zum Anziehen oder Abstoßen kann ein Permanentmagnet sein, dann ist der Motor permanent erregt. So ein erregter Motor kann an einem genau definierten Punkt stillhalten, wenn durch die Spule Strom fließt. Exaktes Festhalten und präzise, langsame Bewegungen sind genau das, was Maschinen wie Scanner, 2D- und 3D-Drucker brauchen. Schrittmotoren sind kostengünstige Motoren für diese Anforderungen: langsam, präzise, kraftvoll.
Permanentmagnete im Eisenmantel
Schrittmotoren sind bürstenlose Elektromotoren mit Permanentmagneten am Rotor (das drehende Teil) und einem Eisenkern in den Wicklungen vom Stator (das Rahmenteil mit den Wicklungen, das sich nicht bewegt). Da die Magnete das Eisen auch anziehen, wenn kein Strom fließt, rasten Schrittmotoren charakteristisch an bestimmten Positionen ein, wenn man per Hand die Welle dreht. Fließt Strom durch die Wicklungen, kann das erzeugte Magnetfeld den Rotor von einem Schritt zum nächsten schubsen. Sonderlich weit ist das nicht: 1,8° bei Schrittmotoren mit 200 Schritten pro Umdrehung und 0,9° bei solchen mit 400 Schritten. Andere Schrittzahlen sind unüblich. Die vielen Schritte entstehen durch ein raffiniertes Ablenken des magnetischen Flusses durch die Eisenkerne, für mehr Schritte werden nicht mehr Wicklungen gebraucht.
Schrittmotoren kommen beispielsweise in Diskettenlaufwerken, Scannern und 3D-Druckern zum Einsatz, größere Modelle treiben auch industrielle CNC-Maschinen an. Sie bieten sich immer dann an, wenn eine exakte Positionierung ohne großes Drehmoment oder große Geschwindigkeit gebraucht wird. Durch die Schritte kann man abzählen, wie weit sich der Motor gedreht haben muss, und kann auf einen Regelkreis verzichten (Open-Loop-Control). Für eine Regelung bräuchte man nämlich zusätzlich einen Dreh-Encoder, der die tatsächliche Drehung der Achse misst (Closed-Loop-Control wie bei Servomotoren).
Keinen Encoder zu haben impliziert, dass man bei Schrittmotoren darauf vertraut, dass sie keine Schritte verlieren. Wenn das Drehmoment der Maschine aber größer ist als das, welches der Motor aufbringen kann, entstehen Schrittverluste, ohne dass die Maschine von einem Fehler erfährt. Deswegen sollten Schrittmotoren immer ein deutlich größeres Drehmoment haben, als der Normalbetrieb verlangt. Schrittverluste müssen sehr unwahrscheinlich sein, damit der Einsatz sinnvoll ist.