Wie Schrittmotoren funktionieren

In diesem Beitrag lernen wir den Schrittmotor kennen. Wir werden untersuchen, was Schrittmotor ist, seinen grundlegenden Arbeitsmechanismus, Arten von Schrittmotoren, Schrittmodi und schließlich seine Vor- und Nachteile.

Was ist ein Schrittmotor?

Schrittmotor ist bürstenloser Motor, dessen rotierende Welle (Rotor) eine Umdrehung mit einer bestimmten Anzahl von Schritten ausführt. Aufgrund der abgestuften Art der Rotation erhält es seinen Namen als Schrittmotor.

Schrittmotor bietet präzise Steuerung des Drehwinkels und Geschwindigkeit. Es handelt sich um ein Open-Loop-Design, dh es ist kein Rückkopplungsmechanismus zum Verfolgen der Rotation implementiert.

Es kann seine Geschwindigkeit variieren, die Drehrichtung ändern und sofort in einer Position einrasten. Die Anzahl der Schritte wird durch die Anzahl der im Rotor vorhandenen Zähne bestimmt. Zum Beispiel: Wenn ein Schrittmotor aus 200 Zähnen besteht, dann

360 (Grad) / 200 (Anzahl der Zähne) = 1,8 Grad

Jeder Schritt beträgt also 1,8 Grad. Schrittmotoren werden von Mikrocontrollern und Treiberschaltungen gesteuert. Es ist weit verbreitet in Laserdruckern, 3D-Druckern, optischen Laufwerken, Robotik usw.

Grundlegender Arbeitsmechanismus:

Ein Schrittmotor kann aus mehreren Polzahlen bestehen, die mit einem isolierten Kupferdraht umwickelt sind, der als Stator oder nicht beweglicher Teil des Motors bezeichnet wird. Der bewegliche Teil des Motors wird als Rotor bezeichnet, der aus mehreren Zahnzahlen besteht.

Wenn ein Pol erregt ist, werden die nächstgelegenen Zähne an diesem unter Spannung stehenden Pol ausgerichtet, und der andere Zahn am Rotor wird leicht versetzt oder nicht ausgerichtet mit anderen nicht erregten Polen.

Der nächste Pol wird erregt und der vorherige Pol wird abgeschaltet. Jetzt werden die nicht ausgerichteten Pole mit dem aktuell bestromten Pol ausgerichtet. Dies macht einen einzigen Schritt.

Der nächste Pol wird erregt und der vorherige Pol wird abgeschaltet. Dies macht einen weiteren Schritt und dieser Zyklus wird mehrmals fortgesetzt, um eine volle Umdrehung auszuführen.

Hier ist ein weiteres sehr einfaches Beispiel für die Funktionsweise des Schrittmotors:

Im Allgemeinen sind die Rotorzähne Magnete, die abwechselnd am Nord- und Südpol angeordnet sind. So wie sich die Pole abstoßen und nicht anziehen, wird jetzt die Polwicklung „A“ erregt und nimmt einen aktivierten Pol als Nordpol und einen Rotor als Südpol an. Dies zieht den Südpol des Rotors zum Pol-A-Stator an, wie in der Abbildung gezeigt.

Jetzt ist Pol A stromlos und Pol „B“ ist stromlos. Jetzt richtet sich der Südpol des Rotors nach Pol „B“ aus. Ähnliche Pole 'C' und Pole 'D' werden auf dieselbe Weise aktiviert und deaktiviert, um eine Umdrehung abzuschließen.

Inzwischen würden Sie verstehen, wie ein Schrittmotor funktioniert.

Arten von Schrittmotoren:

Es gibt drei Arten von Schrittmotoren:

• Permanentmagnet-Stepper
• Variabler widerstrebender Stepper
• Hybrider Synchronschritt

Permanentmagnet-Stepper:

Permanentmagnet-Schrittmotoren verwenden Permanentmagnetzähne im Rotor, die abwechselnd polig angeordnet sind (Nord-Süd-Nord-Süd ……), wodurch ein höheres Drehmoment erzielt wird.

Variabler widerstrebender Stepper:

Stepper mit variabler Reluktanz verwenden Weicheisenmaterial als Rotor mit mehreren Zähnen und arbeiten nach dem Prinzip, dass eine minimale Reluktanz bei minimalem Spalt auftritt, was bedeutet, dass die nächsten Zähne des Rotors beim Einschalten zum Pol angezogen werden, wenn ein Metall angezogen wird in Richtung eines Magneten.

Hybrider Synchronschritt:

Bei einem Hybrid-Schrittmotor werden beide oben genannten Verfahren kombiniert, um ein maximales Drehmoment zu erhalten. Dies ist die häufigste Art von Schrittmotor und auch eine teure Methode.
Schrittmodi:

Es gibt 3 Arten von Schrittmodi

• Vollschrittmodus
• Halbschrittmodus
• Mikroschrittmodus

Vollschrittmodus:

Im Vollschrittmodus kann anhand des folgenden Beispiels verstanden werden: Wenn ein Schrittmotor 200 Zähne hat, beträgt ein Vollschritt 1,8 Grad (der am Anfang des Artikels angegeben ist) und dreht sich nicht weniger oder mehr als 1,8 Grad.

Der vollständige Schritt wird weiter in zwei Typen eingeteilt:

• Einphasenmodus
• Zweiphasenmodus

In beiden Phasenmodus macht der Rotor einen vollen Schritt, der grundlegende Unterschied zwischen diesen beiden besteht darin, dass der Einzelmodus weniger Drehmoment und der Zweiphasenmodus mehr Drehmoment ergibt.

• Einphasenmodus:

Im Einphasenmodus wird zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine Phase (eine Gruppe von Wicklungen / Polen) erregt. Dies ist die Methode mit dem geringsten Energieverbrauch, gibt aber auch weniger Drehmoment.

• Zweiphasenmodus:

Im Zweiphasenmodus wird der Zweiphasenmodus (Zweigruppengruppe / Pol) zu einem bestimmten Zeitpunkt erregt, wodurch mehr Drehmoment (30% bis 40%) im Einphasenmodus erzeugt wird.

Halbschrittmodus:

Der Halbschrittmodus wird für die doppelte Auflösung des Motors ausgeführt. In einem halben Schritt, wie der Name schon sagt, dauert es die Hälfte des einen vollen Schritts, anstatt der vollen 1,8 Grad, der halbe Schritt dauert 0,9 Grad.
Ein halber Schritt wird erreicht, indem abwechselnd der Einphasenmodus und der Doppelphasenmodus geändert werden. Es reduziert die Belastung mechanischer Teile und erhöht die Laufruhe. Der halbe Schritt reduziert das Drehmoment um ca. 15%. Das Drehmoment kann jedoch durch Erhöhen des an den Motor angelegten Stroms erhöht werden.

Mikroschritt:

Mikroschritte werden für die reibungsloseste Drehung ausgeführt. Ein vollständiger Schritt ist in bis zu 256 Schritte unterteilt. Für Mikroschritte wird ein spezieller Mikroschrittregler benötigt. Das Drehmoment wird um rund 30% abgeleitet.

Die Treiber müssen eine Sinuswelle für die Fluiddrehung eingeben. Die Treiber geben zwei sinusförmige Eingänge mit einem 90-Grad-Ausstieg.

Es bietet die beste Kontrolle über die Rotation und reduziert die mechanische Belastung erheblich und reduziert das Betriebsgeräusch.

Die wichtigsten Vor- und Nachteile des Schrittmotors können anhand der folgenden Punkte gelernt werden:

Vorteile:

• Beste Kontrolle über die Winkeldrehung.
• Hohes Drehmoment bei langsamer Geschwindigkeit.
• Sofortige Änderung der Drehrichtung.
• Minimale mechanische Konstruktion.

Nachteile:

• Selbst wenn keine Rotation erfolgt, wird Strom verbraucht, um den Rotor in einer festen Position zu arretieren.
• Es gibt keinen Rückkopplungsmechanismus, um Rotationsfehler zu korrigieren und die aktuelle Position zu verfolgen.
• Es benötigt eine komplizierte Treiberschaltung.
• Das Drehmoment wird bei höherer Drehzahl verringert.
• Es ist nicht einfach, den Motor bei höherer Drehzahl zu steuern.