Standard Betrieb

Ursprünglich wurden Schrittmotoren mit sehr einfachen Endstufen betrieben, die lediglich dazu in der Lage waren die Spannungen der Motorphasen separat zu schalten (heutzutage ist die Stromregelung über eine PWM mit Pulsbreitenmodulation Standard). Zunächst wurden die Motorphasen dabei der Reihe nach einzeln angesteuert. Eine Schaltsequenz in positiver Drehrichtung entspricht der Schaltreihenfolge (+A, +B, -A, -B). Durch das sequentielle Schalten ergibt sich mit diesem Betrieb ein sehr unrunder Lauf. Um die Laufruhe zu verbessern, wurde später das so genannte Microstepping eingeführt, wobei die vier Spannungssollwerte durch Zwischenwerte (z. B. aus einer hinterlegten Sinustabelle) erweitert werden. Heute wird häufig ein Microstepping von 64 Schritten verwendet.

Standard Betrieb 1:
Regelstruktur eines Standard Schrittmotorantriebs

Unter Vernachlässigung der durch das Microstepping bedingten weiterhin vorhandenen Abtastung kann der Motorstrom I in Abhängigkeit des elektrischen Winkels φe und des Betrages des Motorstromes IABS (bei Verwendung einer Stromregelung) wie folgt beschrieben werden:

I(φe) = IA+ jIB= IABScos(φe) + jIABSsin(φe)

Dargestellt durch Betrag und Winkel ergibt sich:

I(φe ) = IABS · e jφe

Daraus geht hervor, dass eine Umdrehung des elektrischen Winkels φe vier Vollschritten entspricht. (Ein Schrittmotor mit 200 Vollschritten besitzt demzufolge 50 Polpaare).

Wird ein konstanter Strom bei unbelasteter Motorwelle eingestellt, so richtet sich die Welle aus. Die Welle zeigt dabei (innerhalb eines Polpaares) in Richtung des wirksamen Statorfeldes.

Wird die Motorwelle von außen belastet, wird die Welle aus der Feldrichtung herausgedreht und es stellt sich ein Lastwinkel (auch Polradwinkel) ein (bezogen auf eine elektrische Umdrehung des Winkels φe). Die Höhe des Lastwinkels ist abhängig vom Aufbau des Schrittmotors selbst, von der Höhe des Motorstroms und von der Höhe des an der Welle wirksamen Drehmoments. Der Zusammenhang ist nichtlinear!

Überschreitet der Lastwinkel eine motorabhängigen Maximalwert (das unter diesen Randbedingungen maximale Drehmoment der Maschine wird überschritten), so kann das Lastmoment vom Motor nicht mehr gehalten werden. Dreht man die Welle weiter aus dem Drehfeld heraus, „kippt“ sie und ein oder mehrere Schrittverluste sind die Folge. Die Höhe des „Kippwinkels“ kann von Motortyp zu Motortyp unterschiedlich sein. Oft liegt er zwischen ca. 45° und 65°.

Standard Betrieb 2:
Verhalten des Rotors bei Belastung

Da der Lastwinkel Rückschlüsse auf die Belastung der Welle zulässt ist er für den Nutzer interessant. Er wird durch die Auswertung der induzierten Gegenspannung* gemessen und kann zur Optimierung des Antriebssystems verwendet werden.