Schrittmotor

In einem 3D-Drucker bewegen fünf Schrittmotoren Druckkopf, Bett und Filament, in einer CNC-Fräse drei, in einem Flachbettscanner einer den Lesekopf. Auch die Zeiger im Armaturenbrett, Ventile in Heizungen und die Blende in Kameraobjektiven werden von Schrittmotoren gestellt. Ihr Vorteil: Sie drehen nicht einfach los, sondern bewegen sich bei jedem Steuerimpuls um einen genau festgelegten Winkel – bei den verbreiteten Typen 1,8°, also 200 Schritte pro Umdrehung. Wer die Impulse zählt, kennt die Position, ganz ohne Sensor.

Aufbau und Funktionsweise

Anders als der Gleichstrommotor hat der Schrittmotor keine Bürsten und keinen Kommutator. Die Wicklungen sitzen im feststehenden Stator, der Rotor trägt Dauermagnete oder Zähne aus Weicheisen. Welche Wicklung wann Strom bekommt, entscheidet die Elektronik von außen.

Das Grundprinzip zeigt ein Rotor mit einem einzigen Magneten und zwei Wicklungen A und B, die um 90° versetzt sind. Fließt Strom durch Wicklung A, richtet sich der Rotor nach ihrem Magnetfeld aus (siehe Elektromagnetismus). Schaltest du auf B um, dreht er sich um 90° weiter, dann auf A mit umgekehrter Stromrichtung, dann B umgekehrt. Vier Schritte ergeben eine Umdrehung.

Echte Motoren erreichen kleinere Schritte, weil Rotor und Stator viele Zähne haben:

• Permanentmagnet-Schrittmotor (Klauenpol, „Can-Stack“): Ein ringförmiger Magnet mit vielen Polen, der Stator besteht aus gestanzten Blechklauen. Schrittwinkel 7,5° bis 18°, billig, klein. Typisch für Zeigerinstrumente, Ventile und der Bastel-Klassiker 28BYJ-48 mit Getriebe.
• Hybrid-Schrittmotor: Der Rotor besteht aus zwei gezahnten Weicheisenscheiben mit einem axialen Magneten dazwischen, der Stator hat acht Pole mit feinen Zähnen. Daraus ergeben sich 1,8° oder 0,9° pro Schritt. Das ist die Bauart für Drucker, Fräsen und Automatisierung.
• Reluktanz-Schrittmotor: ohne Magnet, nur mit Weicheisenzähnen. Heute selten.

Bekommt der Motor Strom, ohne dass sich das Wicklungsmuster ändert, hält er seine Position mit dem Haltemoment fest. Ohne Strom halten Hybrid- und Permanentmagnetmotoren noch mit einem kleinen Rastmoment – das spürst du, wenn du die Welle von Hand drehst und es leicht „rastet“.

Schaltzeichen und Wicklungen

Das Schaltzeichen ist ein Kreis mit „M“, ergänzt durch ein kleines Treppensymbol oder die Angabe der Phasen (siehe Schaltzeichen). Häufiger zeichnet man die Wicklungen direkt als zwei Spulen, weil der Anschluss davon abhängt:

• Bipolar (4 Drähte): zwei Wicklungen A und B, deren Strom in beide Richtungen fließen muss. Dafür braucht jede Wicklung eine H-Brücke. Bipolare Motoren nutzen das Kupfer voll aus und sind bei gleicher Größe stärker.
• Unipolar (5 oder 6 Drähte): Jede Wicklung hat eine Mittelanzapfung, die an Plus liegt. Die Elektronik schaltet je eine Hälfte gegen Masse, der Strom fließt also immer in dieselbe Richtung. Dafür genügen einfache Transistoren wie im ULN2003. Weil immer nur eine Hälfte arbeitet, ist das Drehmoment kleiner.
• 8 Drähte: vier getrennte Halbwicklungen, die sich bipolar in Reihe oder parallel schalten lassen.

Welche Drähte zusammengehören, findest du mit dem Ohmmeter heraus: Die beiden Enden einer Wicklung haben einige Ohm Widerstand, zwischen verschiedenen Wicklungen ist kein Durchgang.

Kennwerte

Am Beispiel eines verbreiteten NEMA-17-Motors, 17HS4401 (42 × 42 × 40 mm):

Die Bezeichnung NEMA 17 nennt nur das Flanschmaß von 1,7 Zoll (rund 42 mm), nicht die elektrischen Daten. Längere Motoren gleicher Bauform haben mehr Drehmoment.

Auffällig ist die kleine Nennspannung: U = I · R = 1,7 A · 1,5 Ω ≈ 2,6 V. Trotzdem betreibt man solche Motoren an 12 oder 24 V. Der Grund ist die Induktivität. Bei jedem Schritt muss der Strom in der Wicklung umkehren, und das geht umso schneller, je höher die Spannung ist (siehe Spule im Gleichstromkreis):

Mit steigender Drehzahl sinkt das Drehmoment trotzdem, weil die Zeit pro Schritt immer kürzer wird. Datenblätter zeigen dafür eine Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, die bei einer bestimmten Spannung gilt.

Bauformen

• NEMA 8, 11, 14, 17, 23, 34: Hybrid-Schrittmotoren nach Flanschmaß, vom 20-mm-Motor für Kameras bis zum Industrieantrieb mit mehreren Newtonmetern.
• Getriebe-Schrittmotoren: etwa der 28BYJ-48 mit 5-V-Wicklungen und einem Getriebe von ungefähr 64:1. Er macht rund 2048 Vollschritte pro Umdrehung, ist aber langsam.
• Linear-Schrittmotoren: mit Gewindespindel statt Welle, für Linearbewegungen ohne Kupplung.
• Motoren mit Encoder: für geschlossene Regelung, die verlorene Schritte erkennt.

Ansteuerung

Ein Schrittmotor läuft nie direkt an einer Spannungsquelle. Er braucht einen Treiber, der die Wicklungen in der richtigen Reihenfolge bestromt (siehe Motortreiber):

• Unipolar mit Darlington-Array: Der ULN2003 schaltet die vier Halbwicklungen des 28BYJ-48 gegen Masse. Freilaufdioden sind im IC eingebaut. Der Mikrocontroller gibt die Schrittfolge selbst vor.
• Bipolar mit Schrittmotortreiber: ICs wie A4988, DRV8825 oder TMC2209 enthalten zwei H-Brücken, Stromregelung und Schrittlogik. Der Mikrocontroller gibt nur noch die Richtung (DIR) und je Schritt einen Impuls (STEP).

Mikroschritt: Statt die Wicklungen nur ein- und auszuschalten, regelt der Treiber die Ströme in A und B sinus- und kosinusförmig. Der Rotor nimmt dann Zwischenstellungen ein. Bei 1/16-Mikroschritt macht ein 1,8°-Motor 3200 Schritte pro Umdrehung. Er läuft leiser und ruckelfreier; die Positioniergenauigkeit wächst aber nicht im selben Maß, weil die Zwischenschritte unter Last nachgeben.

Strom einstellen: Den Strom stellst du am Treiber ein, meist über ein Trimmpotentiometer und eine Referenzspannung. Beim A4988 gilt laut Datenblatt I_max = U_ref / (8 · R_S) mit dem Messwiderstand R_S auf dem Modul. Ist R_S = 0,1 Ω und sollen 1,2 A fließen, stellst du U_ref = 1,2 A · 8 · 0,1 Ω = 0,96 V ein. Prüfe den Messwiderstand auf deinem Modul, er unterscheidet sich zwischen Herstellern.

Auswahl und Praxistipps

Bestimme Drehmoment und Drehzahl, die deine Mechanik braucht, und prüfe in der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, ob der Motor bei der gewünschten Drehzahl noch genug Reserve hat – mindestens 30 bis 50 %. Wähle dann einen Treiber, der den Phasenstrom dauerhaft liefert, und eine Versorgungsspannung im oberen Bereich des Treibers.

Häufige Fehler:

• Motor an 2,6 V betrieben, weil das Datenblatt das sagt: Bei Drehzahl fehlt das Moment. Mit Chopper-Treiber nimm 12 bis 36 V.
• Wicklungen vertauscht: Liegen A und B gemischt an den Treiberausgängen, zittert der Motor nur. Prüf die Paare mit dem Ohmmeter.
• Stecker unter Spannung gezogen: Die Induktionsspannung der Wicklung zerstört viele Treiber-ICs sofort. Trenne den Motor nur bei ausgeschalteter Versorgung.
• Zu schnell beschleunigt: Der Rotor kommt nicht mit und verliert Schritte. Rampen in der Firmware vermeiden das.
• Motor wird heiß: 60 bis 80 °C am Gehäuse sind bei Schrittmotoren normal, weil auch im Stillstand Strom fließt. Mehr ist ein Zeichen für zu viel Strom.

Selbsttest