Schrittmotor

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Schrittmotor

Schrittmotoren können generell in unipolare und bipolare Schrittmotoren eingeteilt werden. Unipolare Schrittmotoren haben charakteristische Windungen welche die zwei Spulen in vier unterteilen. Schrittmotoren haben keine eingebauten Bürsten oder Elektronik, d.h. jegliche Kommunikation muss extern erfolgen. Der am meisten benutzte Kommutationstyp ist der offene-Regelkreis- (“open-loop”) Modus: der Der Schrittmotortreiber lädt die Spulen nach einem bestimmten Muster, nutzt aber kein Feedback. Schritte können so verpasst werden falls die Motorwelle eine Drehmomentüberladung erfährt. Verpasste Schritte verursachen ungenaue Positionierung. Bipolare Schrittmotoren haben normalerweise vier Drähte und zwei separate Spulen im Inneren. Sie ähneln den unipolaren Schrittmotoren stark. Unipolare Schrittmotoren können als bipolare Schrittmotoren genutzt werden, aber nicht umgekehrt.

Schrittmotoren werden oft in Applikationen genutzt, die Genauigkeit benötigen. Anders als Gleichstrommotoren haben Schrittmotoren weder Bürsten, noch Kommutatoren. Sie haben verschiedene unabhängige Spulen, welche durch externe Elektronik (Treiber) angetrieben werden. Um den Rotor anzutreiben, werden die Spulen Schritt für Schritt umgeschaltet, ohne Feedback. Das ist der Nachteil des Schrittmotors. Bei mechanischer Überladung, wenn der Rotor nicht rotiert, werden so die Schritte durcheinander gebracht und die Bewegung wird ungenau. Zwei Typen von Schrittmotoren werden anhand der Spulen unterschieden: Unipolare und bipolare Schrittmotoren. Durch Aufbau werden drei zusätzliche Segemente bedacht:

    
* Reluktanzschrittmotor (hohe Genauigkeit, wenig Drehmoment, niedriger Preis)
* Permanentmagnetschrittmotor (niedrige Genauigkeit,hohes Drehmoment, niedriger Preis)
* Hybrider Schrittmotor (hohe Genauigkeit, hohes Drehmoment, hoher Preis)

Der Reluktanzschrittmotor verfügt über gezahnte Windungen und einen gezahnten Weicheisenrotor. Die größte Zugkraft entsteht, wenn die Zähne beider Seiten sich gegenseitig abdecken. Der Permanentmagnetschrittmotor bestitz, wie der Name schon sagt, Permanentmagneten welche sich je nach Polarität der Windung orientieren. Der hybride Schrittmotor nutzt beide Techniken.

Je nach Modell des Schrittmotors, braucht eine vollständige Rotation (360°) des Rotors hunderte Schritte von Stromwendungen. Für stabile und weiche Bewegungen, wird eine bestimmte Kontrollelektronik genutzt, welche den Motor je nach Parameter kontrolliert (Trägheit des Rotors, Drehmoment, Resonanz etc.). Zusätzlich zur Kontrollelektronik werden verschiedene Methoden zur Stromwendung genutzt. Wird eine Windung in Reihe umgewandelt, wird dieser Vorgang “Ganzschrittantrieb” genannt, verändert sich der Antrieb zwischen zwei Wicklungen, nennt man diesen Halbschritt. Darüber hinaus werden “Kosinus-Mikroschritte” genutzt, um eine sehr genaue und weiche Kontrolle zu ermöglichen.

Unipolare Schrittmotoren

Die Wicklungen eines unipolaren Schrittmotors

Unipolare Schrittmotoren haben fünf oder sechs Anschlüsse. Je nach Aufbau des Motors werden nur ¼ der Wicklungen aktiviert. Vcc Leitungen werden normalerweise an der positiven Stromquelle angeschlossen. Während der Umwandlung sind die Enden der Wicklungen 1a, 1b, 2a und 2b über Transistoren (Transistorarray der Motorplatine ULN2803) nur an die Masse angeschlossen, was die Kontrollelektronik recht einfach macht.

Bipolare Schrittmotoren

Die Wicklungen eines Bipolaren Schrittmotors.

Bipolare Schrittmotoren unterscheiden sich von unipolaren, da sie die Polarität ihrer Wicklungen während der Umwandlung verändern. Die Hälfte der Wicklungen wird gleichzeitig aktiviert, daher sind sie effizenter als unipolare Schrittmotoren. Bipolare Schrittmotoren haben 4 Anschlüsse, jeder wird an einen anderen Vierquadrantensteller angeschlossen (Treiber L293 auf der Motorenplatine). Während der Kommutation legen die Vierquadrantensteller entweder negative oder positive Spannung am Ende der Wicklung an. Unipolare Motoren können mit einem bipolaren Treiber gestartet werden indem einfach die Leitungen 1a, 1b, 2a und 2b der Wicklungen angeschlossen werden (Vcc wird nicht angeschlossen).

Die notwendige Kommutation, um Schrittmotoren mit Wicklungen im Ganzschrittmodus und im Halbschrittmodus zu kontrollieren, wird in der Tabelle unhalb angezeigt. Da in Treibern für unipolare Schrittmotoren nur das Öffnen von Transistoren stattfindet, werden die Schritte mit 0 und 1 markiert. Zur Steuerung eines bipolaren Schrittmotors braucht es Signale und daher wird jeder Schritt mit der Polarität des Treiber-Outputs markiert:

Das Ziel dieser Aufgabe ist es, unter Anwendung der oben beschrieben Methode einen bipolaren Schrittmotor zu starten, welcher mit einem unipolaren Schrittmotor getauscht werden kann. Es gibt Treiber auf der Motorenplatine, welche vom Mikrocontroller über vier Inputpins kontrolliert werden. Jeder Pin gibt die Polarität einer Wicklung wieder. Die Spannung am Ende der Wicklung ist positiv wenn der Pin high ist und negativ wenn der Pin low ist. Zu den Enden 1A, 1B, 2A und 2B gehören die entsprechenden Pins PB0, PB1, PB2 Und PB3 am Mikrocontroller.

In der HomeLab Bibliothek gibt es die Funktion bipolar_init, um bipolare Schrittmotoren zu steuern, indem die Pins als Output gesetzt werden. Die Funktion bipolar_halfstep führt Rotationen mit bestimmten Halbschritten aus. Die Kommutation wird mit der Tabelle der Halbschritte durchgeführt, aber es werden komplexere Bitoperationen genutzt.

//
// Vorbereitung der Steuerung des bipolaren Schrittmotors.
//
void bipolar_init(void)
{
    DDRB |= 0x0F;
    PORTB &= 0xF0;
}
 
//
// Bewegung des bipolaren Schrittmotors mit Halbschritten.
//
void bipolar_halfstep(signed char dir,
    unsigned short num_steps, unsigned char speed)
{
    unsigned short i;
    unsigned char pattern, state1 = 0, state2 = 1;
 
    // Festlegung der Richtung +- 1
    dir = ((dir < 0) ? -1 : +1);
 
    // Durchführung von Halbschritten.
    for (i = 0; i < num_steps; i++)
    {        
        state1 += dir;
        state2 += dir;
 
        // Erstellung des Musters.
        pattern = (1 << ((state1 % 8) >> 1)) |
                  (1 << ((state2 % 8) >> 1));
 
        // Output setzen.
        PORTB = (PORTB & 0xF0) | (pattern & 0x0F);
 
        // Pause um auf die Ausführung des Schrittes zu warten.
        sw_delay_ms(speed);
    }
 
    // Anhalten des Motors.
    PORTB &= 0xF0;
}

Die Funktion wird durch ein Beispielprogramm demonstriert, welches den Motor abwechselnd alle 200 Halbschritte in eine Richtung rotieren lässt. Die Geschwindigkeit der Rotation wird durch die Länge der Pausen zwischen den Schritten bestimmt. Wenn die Pause zu kurz ist, kann der Motor sich aufgrund der Trägheit nicht drehen.

//
// Das Testprogramm für den bipolaren Schrittmotor des Motormoduls 
// des HomeLab.
//
#include <homelab/module/motors.h>
 
//
// Hauptprogramm.
//
int main(void)
{
    // Einrichtung des Motors.
    bipolar_init();
 
    // Endlosschleife.
    while (true)
    {
        // Bewegung des Rotors 200 Halbschritte in eine Richtung mit einer Geschwindigkeit von 30 ms/Schritt.
        bipolar_halfstep(+1, 200, 30);
 
        // Bewegung des Rotors 200 Halbschritte in die andere Richtung mit einer Geschwindigkeit von 30 ms/Schritt.
        bipolar_halfstep(-1, 200, 30);
    }
}