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Was ist ein Schrittmotor?
Es ist kein Motor im Sinne, dass man eine Gleichspannung hinein schickt und der Motor zu drehen anfängt, sondern man spricht je nach Motor (es gibt Bipolare und Unipolare) eine Spule an, die dann den "Anker", der an der Achse montiert ist in eine bestimmte Richtung um genau einen Schritt dreht. Der Anker ist speziell gezackt, sodass eine Magnetspule ihn immer nur um einen Zacken bzw. Schritt weiterbewegt. Ein Schritt ist je nach Motor unterschiedlich. Meistens ist also ein Schritt so um die 1,8-3,6°. So ergeben sich 200 bis 100 Schritte für eine Umdrehung. Wenn man zwei Spulen gleichzeitig mit Strom versorgt, so stellen sich die Zacken des Ankers genau zwischen die beiden Spulen und man erreicht die doppelte Zahl an Schritten für eine Umdrehung und somit die Hälfte der Gradzahl pro Schritt. Dieses Verfahren nennt sich dann Half-Stepping.
In der Zusammenfassung: Ein Schrittmotor wird immer dann eingesetzt, wenn man eine ganz bestimmte Umdrehungs-, oder Gradzahl erreichen möchte. Im Unterschied zu einem Servo hat man jedoch bei einem Schrittmotor keine Kontrolle, ob der Motor beispielsweise einen Schritt übersprungen hat und sich somit die Gradzahl verschoben hat. Schrittmotoren sind allerdings wesentlich günstiger als Servomotoren, da diese meist von teuren Steuerungen angetrieben werden müssen.
Der unipolare Schrittmotor:
Dies ist der wesentlich leichter anzusteuernde, denn bei ihm werden im Gegensatz zum Bipolaren die Spulen immer mit der gleichen Polung (wie der Name schon sagt) angesteuert. Es ist also lediglich ein Schalter (im simpelsten Fall) nötig, um einen solchen Motor zu betreiben.
Hier einmal der innere Aufbau (stark vereinfacht):
Die Enden der Spulen sind jeweils mit Masse verbunden. Wenn man jetzt nacheinander die Spulen mit z.B. 12V versorgt, so dreht sich der Anker um 90°. Das bezeichnet man als 1 Schritt. Hier wird aber auch deutlich, was passiert, wenn man zwei Spulen, die nebeneinander liegen, mit Strom versorgt. In diesem Fall stellt sich der Anker zwischen den Spulen ein. Wenn man nun also erst Spule 1, dann 1 und 2 und schließlich 2 mit Strom versorgt dreht sich der Motor im halfstepping-Modus drei Schritte. Bei den Motoren, die heutzutage zum Einsatz kommen sind allerdings nicht nur veir Spulen im Inneren, sondern 8 oder mehr jeweils parallel geschaltet. Auch der Rotor (rot) hat nicht nur zwei Seiten sondern ist fast wie ein Stern aufgebaut. Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Schrittmotoren: Der Permanentmagnetschrittmotor (oben in der Zeichnung) und den Reluktanzschrittmotor, bei dem der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern besteht. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Anzahl der Schritte) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, indem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren.
Woher weiß man welchen man hat?
Nun zunächst sei gesagt, dass ein unipolarer Schrittmotor mindestens fünf (auch sechs sind möglich) Anschlüsse hat und aus zwei Spulen (s.u.) besteht. Der Bipolare hat nur vier Anschlussdrähte.
Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse leicht identifizieren (bei manchen Motoren sind die beiden Common Anschlüsse bereits zusammen gelegt). Zu messen ist folgendes: Von Spule 1 a nach Spule 1 Common ist der Widerstand halb so groß wie von Spule 1 a nach Spule 1 b. Der Widerstand zwischen den Anschlüssen von Spule 1 zu Spule 2 sollte unendlich sein. Sollte es zwei Common Anschlüsse geben, so können diese zusammen gelegt werden.
So das war jetzt erst einmal die Theorie, doch jetzt könen wir mit der Ansteuerung beginnen. Sollte euer Motor nur vier Anschlüsse haben, so handelt es sich höchstwahrscheinlich um einen bipolaren Schrittmotor. Ich empfehle aber zum besseren Verständnis auch diese Seite noch zu lesen.
Ansteuerung eines Schrittmotors:
Zunächst einmal grundsätzliches zur Schaltung: Sie wird über die parallele Schnittstelle des Computers angesteuert, da diese am einfachsten mit z.B. QuickBasic angesteuert werden sowie ausgewertet werden kann(das Basic Programm gibt es weiter unten zum Download). Der Aufbau der parallelen Schnittstelle ist eigentlich recht einfach und schnell zu verstehen:
Hier ist die wesentliche Belegung der parallelen Schnittstelle. Genauere Angaben über die Benennung der Anschlüsse gibt es beim Telefonkartenleser, da für diese Schaltung sowieso nur die Data Lines verwendet werden. Mit Hilfe von Basic kann man also diese Data Lines ansprechen und beliebig auf high oder low setzen. Das ist eigentlich schon das Geheimnis. Das einzige Problem dabei ist, dass der Steuerstrom der Schnittstelle natürlich bei weitem nicht ausreicht. Und hier kommt unser erster Chip in die Schaltung: der ULN2803, ein Verstärkerbaustein, der acht Darlington Transistoren und entsprechende Freilaufdioden beherbergt. Er kann bis zu 500mA pro Eingang schalten. Die vorher erwähnten Freilaufdioden haben den Sinn, dass sie den beim Abbauen des Magnetfeldes auftretenden Strom, der nach der lenzschen Regel entgegengesetzt dem Magnetfeld fließt (also entgegen der Versorgungsspannung) und weit höher als diese ausfallen kann abgeblockt wird.
Das Datenblatt ist mit der Graphik verlinkt. Mit diesem IC und der Schnittstelle können zwei Motoren gleichzeitig angesteuert werden. An den Pins 1 - 8 werden die Data Lines (also von Pin 2 - 9 an der Schnittstelle) angeschlossen. An die Pins 18 - 15 kommen die Ausgänge des Schrittmotors (Spule 1 a,b - Spule 2 a,b). Der Common Anschluss wird direkt mit der Spannungsquelle verbunden (meistens 12V+). Ebenso muss noch Pin 10 des ICs mit 12V+ verbunden werden, damit die Freilaufdioden richtig arbeiten können. Wenn nun Line 1 auf high gesetzt wird so leitet der erste Verstärker nach Masse durch und die Spule 1 a ist magnetisch. Nun würde man schon einen Wiederstand am Motor fühlen. Doch diese Variante der Schaltung ist immer noch nicht ausgereift, denn immer noch ist die Schnittstelle direkt mit dem Stromkreislauf des Motors verbunden. Abhilfe schafft jetzt ein Opto-Koppler. Hierfür eignen sich am besten zwei vierfach Opto-Koppler (PC847). Diese sind wie die Relais in der Elektronik und können zwei Stromkreise völlig von einander trennen. Somit hängt die Schnittstelle nicht mehr an der gleichen Masse mit dem Motor.
Schaltplan und Programm:
Hier jetzt der Schaltplan - die grünen Leitungen sind der Stromkreis der Schnittstelle und die roten/braunen die des Motors. Hier ist nun gut zu erkennen,dass der eine mit dem anderen nichts mehr zu tun hat. Wer will kann jetzt noch acht LEDs besorgen und diese über einen 680Ohm Widerstand einmal mit +12V verbinden und mit je einem Eingang des ULN2308 (also Pins 11 mit 18). Dann lässt sich immer erkennen, welche Spule gerade geschaltet wird.
Zum Schluss habe ich noch ein sehr einfaches Layout zum ätzen des Schaltung auf eine Platine hochgeladen. Vielleicht mach ich das aber auch nochmal schöner.
Und natürlich das Basic-Programm nicht vergessen. Dort sind Beispile zur Ansteuerung des ganzen und ein paar Beispielsteuerprogramme.
Basicprogramm