Stellgeräte für elektrische Antriebe

Stellgeräte für Schrittmotoren

Stellgeräte für Schrittmotoren wandeln eine Eingangsspannung in 2 Ketten von Spannungsimpulsen um. Mit diesen werden die beiden Wicklungen des angeschlossenen Schrittmotors beaufschlagt. Mit jedem Spannungsimpuls dreht sich der Motor um einen definierten Winkelschritt weiter. Die beiden Impulsfolgen sind zueinander um 90° versetzt.
Die Frequenz der ausgegebenen Impulsketten dient als Stellgröße für die Drehzahl des Schrittmotors. Der Betrieb des Motors erfolgt gesteuert. Ein Sensor zur Erfassung der Lage oder der Drehzahl ist deshalb nicht erforderlich.

Stellgeräte für Schrittmotoren können sowohl unipolar als auch bipolar ausgeführt werden.

• Im unipolaren Betrieb werden die Wicklungen des Motors lediglich mit positiven Spannungsimpulsen beaufschlagt. In den Wicklungen des Schrittmotors fließt der Strom folglich nur in positiver Richtung.
• Im bipolaren Betrieb werden die Wicklungen des Motors mit positiven und negativen Spannungsimpulsen beaufschlagt. Folglich fließen in den Wicklungen des Schrittmotors auch positive und negative Ströme. Diese Betriebsart gestattet eine bessere Ausnutzung des Schrittmotors und hat sich weitgehend durchgesetzt.

Nachfolgend wird deshalb nur auf Stellgeräte mit bipolarer Ansteuerung näher eingegangen.

Der Aufbau

Eingangsseitig verfügt das Stellgerät über eine Stromversorgung, die eine Eingangsspannung in 2 Ausgangsspannungen mit gleichem Betrag aber unterschiedlichem Vorzeichen umwandelt. Je nach Anwendungsfall sind Ein- und Ausgangsspannung der Stromversorgung sehr unterschiedlich. Es gibt Stellgeräte, die auf sehr kleine Eingangsspannungen, wie sie z. B. ein PC zur Verfügung stellen kann, ausgelegt sind. Andere Stellgeräte sind für den direkten Anschluß an das Wechselspannungsnetz vorgesehen. Die Ausgangsspannungen der Stromversorgung richten sich nach der Größe des angeschlossenen Schrittmotors.

Der Stromversorgung nachgeschaltet ist die eigentliche Endstufe. Sie besteht aus 4 Transistoren und 4 Freilaufdioden. Jeweils zwei Transistoren sind in Reihe geschaltet. Parallel zu jedem Transistor ist eine Freilaufdiode angeordnet. Sie weist jeweils die entgegengesetzte Stromflußrichtung des zugehörigen Transistors auf.
Jeweils 2 Transistoren und 2 Dioden bilden einen Brückenzweig.
An jedem Brückenzweig ist eine Wicklung des Schrittmotors angeschlossen. Das andere Wicklungsende wird am gemeinsamen Bezugspunkt der Ausgangsspannungen aufgelegt.

Die Ausgangsspannung bei Vollschrittbetrieb

Die Transistoren werden so angesteuert, daß an den Wicklungen des Schrittmotors entweder die positive oder die negative Ausgangsspannung oder keine Spannung anliegt. Dementsprechend ergibt sich in den Wicklungen A und B entweder ein positiver, ein negativer oder kein Stromfluß.
Der Stromfluß gleicht äußerlich (abgesehen von einem kurzen Einschwingvorgang am Beginn jedes Impulses) weitgehend dem Verlauf der wirksamen Spannungen.

Der dargestellte Spannungsverlauf entspricht einem Vollschrittbetrieb. Das heißt, bei jeder Änderung der Ausgangsspannung bewegt sich der Läufer des angeschlossenen Schrittmotors um eine Polteilung und damit um einen ganzen Winkelschritt weiter.

Die Ausgangsspannung bei Halbschrittbetrieb

Durch eine Modifikation der Ansteuerung läßt sich auch ein Halbschrittbetrieb realisieren. Die Transistoren werden in dieser Betriebsart so angesteuert, daß in bestimmten Zeiträumen beide Wicklungen des Schrittmotors stromführend sind. In diesem Zustand richtet sich der Läufer des Schrittmotors zwischen zwei Polteilungen aus und kann damit einen Zwischenschritt bzw. "Halbschritt" ausführen. Auf diese Weise kann eine mechanische Umdrehung des Läufers in doppelt so viele Schritte unterteilt und die Auflösung der Sollposition verdoppelt werden.

Die Ausgangsspannung bei Mikroschrittbetrieb

Eine weitere Betriebsart stellt der Mikroschrittbetrieb dar. Bei dieser Betriebsart werden die Ausgangsspannungen durch Pulsbreitenmodulation nochmals in verschiedene Spannungspegel unterteilt. Damit können nahezu beliebige Zwischenstufen realisiert werden und eine mechanische Umdrehung ist in eine Vielzahl sehr feiner Schritte auflösbar.

Drehmoment und Dynamik

Stellgeräte für Schrittmotoren arbeiten gesteuert. Sie verfügen nicht über eine Stromregelung. Die Ströme in den Wicklungen des Schrittmotors stellen sich "frei" ein. Rückwirkungen aufgrund der vom Läufer induzierten Gegenspannung werden nicht kompensiert. Damit ergeben sich Begrenzungen in der maximalen Drehzahl, im erzielbaren Drehmoment bei höheren Drehzahlen und im Beschleunigungsvermögen. Schrittantriebe sind deshalb für Anwendungen im Bereich kleinerer Leistung mit mittleren Anforderungen an die Dynamik geeignet.