Schrittmotor

Themen:

Einführung
Permanentmagnet-Schrittmotor (PM-Typ)
Schrittmotor mit variabler Reluktanz (VR)
Hybrid-Schrittmotor

Einführung:
Ein Schrittmotor lässt sich, wie der Name schon sagt, in mehreren Schritten verstellen. Die Anzahl der Schritte kann variieren. Je nach Anwendung kann der Schrittmotor zwischen 4 und 200 Schritte pro Umdrehung einstellen, was einer kontrollierten Drehung von 0,8° Rotordrehung entsprechen kann.
Die Winkeldrehung eines Schrittmotors kann sehr genau bestimmt werden. Der Schrittmotor ist im Grunde eins Synchroner Gleichstrom-Elektromotor ohne Kohlebürsten, da die Teile und Steuerungsmethoden sehr ähnlich sind, unterscheidet sich jedoch von diesem Gleichstrommotor durch folgende Eigenschaften:

Ein Schrittmotor hat bei niedrigen Drehzahlen ein relativ großes Drehmoment und kann daher sehr schnell aus dem Stillstand starten;
Die Bewegung eines Schrittmotors ist langsam und sehr präzise. Der Gleichstrommotor dient dazu, über einen langen Zeitraum schnell laufen zu können;
Die Drehzahl und Position des Schrittmotors werden durch ein Steuersignal von der Steuereinheit gesteuert. Dies bedeutet, dass kein Positionssensor oder eine andere Form der Rückmeldung erforderlich ist;
Ein Schrittmotor macht mehr Lärm und verursacht mehr Vibrationen als ein bürstenloser Gleichstrommotor.

Der Schrittmotor wird an vielen Stellen im Auto eingesetzt, um Teile in eine kontrollierte elektrische Bewegung zu versetzen. Nachfolgend sind drei Anwendungen aufgeführt, in denen der Schrittmotor zu finden ist, nämlich: zur Leerlaufsteuerung, die Zeiger im Armaturenbrett und die Heizungsventile zur Lüftungssteuerung.

Schrittmotor für die Leerlaufregelung:
Die Drosselklappe eines Ottomotors ist im Ruhezustand geschlossen. Um den Motor im Leerlauf laufen zu lassen, ist eine kleine Öffnung erforderlich. Auch der Durchlass muss regelbar sein, da Temperatur und Belastung (z. B. wenn Verbraucher wie die Klimaanlagenpumpe eingeschaltet sind) Einfluss auf die benötigte angesaugte Luftmenge haben.
Bei modernen Motoren wird die Stellung der Drosselklappe präzise gesteuert. Wir finden auch Systeme, bei denen die Drosselklappe komplett geschlossen ist und die Luft über eine Bypass-Steuerung um die Drosselklappe herumgeführt wird. Die Luftzirkulation kann entweder über einen PWM-gesteuerten Gleichstrommotor oder durch einen Schrittmotor realisiert werden. Siehe die Seite über Gaspedal.

Die drei Bilder unten zeigen einen Schrittmotor, der als Leerlaufdrehzahlregler dient. Die Öffnung des Bypasses wird durch die Welle mit dem konischen Ende gesteuert. Das Drehen des Ankers im Schrittmotor führt zu einer Drehung des Schneckengetriebes.

Gegen den Uhrzeigersinn drehen: Schneckenrad dreht nach innen (große Öffnung im Bypass);
Rechtslauf: Schneckenrad dreht nach außen (kleine Öffnung im Bypass).

Instrumententafel:
Das Armaturenbrett ist häufig mit mehreren Schrittmotoren für Tankfüllstandsanzeige, Tachometer, Drehzahlmesser, Motortemperatur und im Beispiel unten auch für die Verbrauchsanzeige unter dem Drehzahlmesser ausgestattet. Unten ist die Instrumententafel eines BMW abgebildet.

Auf der Rückseite (innen) der Instrumententafel finden wir die fünf Schrittmotoren mit schwarzem Gehäuse. Rechts sehen wir den betreffenden Schrittmotor ohne Gehäuse. Hier erkennt man deutlich die beiden Spulen und die vier Anschlüsse (zwei links, zwei rechts), an denen wir den bipolaren Schrittmotor erkennen können. Der Schrittmotor kann die Zeigernadeln in kleinen Schritten verstellen. Der Befehl zur Einstellung kommt von der ECU im Kombiinstrument.

Das folgende Diagramm zeigt die Ein- und Ausgänge des Schrittmotortreibers. Dies ist der IC im Kombiinstrument, der eingehende Informationen in eine Ausgabe für den Schrittmotor umwandelt:

Kraftstoffstand im Tank (Tankschwimmer);
Fahrzeuggeschwindigkeit (Impulsgeber im Getriebe oder ABS-Sensoren);
Motordrehzahl (Kurbelwellen-Positionssensor);
Temperatur (Kühlmitteltemperatursensor).

Im Blockschaltbild zeigen die roten und grünen Pfeile die Anschlüsse (A bis D) an den Spulen im Schrittmotor.

Luftführungsventile im Ofenhaus:
In den elektronisch betätigten Entlüftungsventilen finden wir häufig Schrittmotoren Ofenhaus. Die folgenden Bilder zeigen ein Foto eines Lufttemperaturventils (links) und eine Illustration der Einbauposition (rechts). Der Schrittmotor betätigt das Ventil über den Mechanismus, wobei die Zahl 4 in der Abbildung den Drehpunkt angibt. Bei Fehlfunktionen des Schrittmotors oder nach einem Austausch müssen die Start- und Endpositionen im Steuergerät bekannt gegeben werden. Mit Diagnosegeräten können wir die Ventilanschläge lernen, sodass das Steuergerät weiß, wann das Ventil vollständig geöffnet oder geschlossen ist, und so auch bestimmen kann, wie lange es den Schrittmotor antreiben muss, um das Ventil teilweise zu öffnen.

Permanentmagnet-Schrittmotor (PM-Typ):
Dieser Schrittmotortyp verfügt über einen Rotor mit Permanentmagnet. Der Vorteil dieses Schrittmotors ist sein einfacher Aufbau und der damit verbundene niedrige Anschaffungspreis. Nachfolgend finden Sie Informationen zum Betrieb dieses Schrittmotors.

Der Rotor des Schrittmotors kann eine volle Umdrehung mit mehreren Zwischenschritten ausführen. Im Beispiel in den vier Bildern unten werden pro Umdrehung vier Zwischenschritte dargestellt. Der Rotor kann daher alle 90 Grad gestoppt werden. Der linke Schrittmotor befindet sich in Position 1, wobei der Nordpol des Rotors oben und der Südpol unten liegt. Um den Rotor um 90 Grad im Uhrzeigersinn zu bewegen, wird der Strom zur Spule mit den Anschlüssen C und D unterbrochen und die andere Spule mit Strom versorgt. Dies ist am zweiten Schrittmotor zu erkennen. Der linke Polschuh wird rot (Nordpol) und der rechte schwarz (Südpol). Dadurch wird der Rotor in Position 2 gebracht.

Dies funktioniert auch mit den Einstellungen 3 und 4; Bei Position 3 ist die Spule zwischen C und D bestromt, der Strom fließt jedoch in die entgegengesetzte Richtung wie bei Position 1. Der obere Polschuh ist nun der Nordpol und der untere der Südpol. Der Rotor befindet sich nun in Position 3. Bei Position 4 wird die untere Spule wieder mit Strom versorgt und der Rotor dreht sich in Position 4.

Der Viergang-Schrittmotor kann alle 90 Grad gestoppt werden. Sollte dies für den Einsatzzweck des Schrittmotors nicht ausreichen, kann dieser auch in acht Stufen eingestellt werden. Dies ist mit demselben Schrittmotor möglich, allerdings werden bei diesen Zwischenschritten beide Spulen gleichzeitig bestromt.

Das Bild unten zeigt diese Zwischenschritte. Dies sind die Schritte 5 bis 8. Wie Sie sehen, liegt die Einstellung 5 zwischen den Schritten 1 und 2. Gleiches gilt für Schritt 6 (zwischen Schritt 2 und 3) usw. Während dieser Zwischenschritte fließt ein Strom durch beide Spulen.
Wenn der Rotor auf Schritt 5 gedreht werden muss, fließt ein Strom sowohl in der unteren Spule von A nach B als auch in der oberen Spule von C nach D. Es gibt also nun zwei Nordpole (die roten Polschuhe) und zwei Südpole (die schwarzen Polschuhe). Der Rotor befindet sich in Position 5.

Um den Rotor um 45 Grad weiter zu drehen (auf Position 2), gilt wieder das Diagramm des Schrittmotors mit vier Positionen. Die untere Spule wird wieder mit Strom versorgt, damit ein Strom von A nach B fließen kann.
Wird der Schrittmotor dann um 45 Grad weiter gedreht (auf Position 6), gilt wieder das obige Bild, wobei beide Spulen bestromt sind.

Der Schrittmotor wird immer von einem Steuergerät gesteuert. Die Transistoren im Treiber-IC des Steuergeräts sorgen für die Stromzufuhr und -ableitung zu und von den Polschuhen. Die Steuereinheit enthält acht Transistoren. Durch die richtige Ansteuerung dieser acht Transistoren führt der Schrittmotor eine vollständige Umdrehung in vier oder acht Schritten aus. Die Drehung kann in zwei Richtungen erfolgen; links und rechts. Das Steuergerät sorgt dafür, dass die richtigen Transistoren leitend geschaltet werden.

Im Bild sehen wir einen Schrittmotor, der von einem Steuergerät gesteuert wird. Die Transistoren 1 und 4 sind eingeschaltet. Um die Ansteuerung zu verdeutlichen, sind die Transistoren und Drähte rot und braun eingefärbt. Transistor 1 (rot) verbindet Anschluss A mit Plus und Transistor 4 (braun) verbindet Anschluss B mit Masse.

Da die Transistoren 2 und 3 nicht eingeschaltet sind, fließt kein Strom durch sie. Wäre dies der Fall, würde es zu einem Kurzschluss kommen.
Im Bild wird der Schrittmotor etwas weiter gedreht. Dazu müssen auch die Transistoren 6 und 7 leitend gemacht werden.

Damit sich der Schrittmotor noch etwas weiterdrehen kann, wird die Leitung der Transistoren 1 und 4 unterbrochen. Nur die Transistoren 6 und 7 leiten noch, wodurch der Schrittmotor die Position 3 einnimmt.

Für den nächsten Schritt müssen die Transistoren 2 und 3 eingeschaltet werden.

Schrittmotor mit variabler Reluktanz (VR):
Wie der Permanentmagnet-Schrittmotor enthält der Schrittmotor mit variabler Reluktanz Statorpole mit Spulen. Er unterscheidet sich vom zuvor besprochenen Schrittmotor durch seinen gezahnten Rotor aus ferromagnetischem Metall, beispielsweise Nickel oder Eisen. Das bedeutet, dass der Rotor nicht magnetisch ist. Diese Art von Schrittmotor wird heutzutage nur noch selten verwendet.

Die Statorspule auf der einen Seite (A) ist entgegengesetzt gewickelt wie die Spule auf der anderen Seite (A'). Das Gleiche gilt natürlich auch für B und B' usw. Die Zähne des Rotors werden durch den magnetischen Fluss angezogen, der durch die Erregung der Statorspulen entsteht.

Die Vorteile des VR-Schrittmotors gegenüber der Ausführung mit Permanentmagneten sind:

Durch den Verzicht auf Permanentmagnete ist die Produktion des VR-Schrittmotors weniger umweltschädlich;
Es ist nicht erforderlich, die Polarität der Statorspulen umzukehren. Dies ermöglicht eine einfachere Steuerung;

Die Nachteile sind:

Niedriges Drehmoment;
Geringe Genauigkeit;
Höhere Geräuschentwicklung. Die Anzahl der Anwendungen, auch im Automobilbereich, ist daher begrenzt;
Durch den Verzicht auf Permanentmagnete entsteht im Stillstand kein Haltemoment.

Hybrid-Schrittmotor:
Der Hybrid-Schrittmotor verfügt über einen gezahnten Rotor mit Permanentmagneten und einen gezahnten Stator mit acht Spulen mit einem kleinen Luftspalt zwischen Rotor und Stator. Der Rotor besteht aus zwei um 3,6° zueinander versetzten Zahnrädern. Im Inneren des Rotors befindet sich ein großer Magnet. Über den Magneten werden zwei Zahnräder aus Stahl gepresst. Durch das Vorhandensein des Magneten werden die Zahnräder auch magnetisch. Ein Zahnrad ist als Nordpol und das andere als Südpol magnetisiert. Jeder Zahn am Rotor wird zu einem Magnetpol. Wir sprechen daher vom „Nordpolrotor“ und vom „Südpolrotor“. Aufgrund der Verschiebung der Zahnräder wechseln sich Nord- und Südpol während der Drehung ab. Jedes Zahnrad hat 50 Zähne.

Sobald der Schrittmotortreiber Strom durch eine Statorspule leitet, wird die Spule magnetisch. Die Nordpole der Spulen ziehen die Südpole des Rotors an, wodurch sich der Rotor dreht.

Die drei Bilder unten zeigen die Ansteuerung der beiden Phasen (rot und orange) des Hybrid-Schrittmotors.

A. Der Rotor des Schrittmotors hat sich in seine aktuelle Position gedreht (siehe Abbildung), weil die gezeigten Spulen magnetisch gemacht wurden.

Das grüne Zahnrad ist der Südpol, der von den Nordpolen am Stator angezogen wird;
An den Stellen, an denen der Rotor gezogen wurde, fluchten die Zähne zwischen Rotor und Stator miteinander. Der Übersichtlichkeit halber sind diese Punkte in allen drei Situationen mit einer schwarzen Markierung gekennzeichnet;
Das rote Zahnrad befindet sich hinter dem grünen Zahnrad. Da die Zahnräder relativ zueinander gedreht sind, sind die roten Zähne sichtbar. Die Nordpole des Rotors werden von den Südpolen des Stators angezogen.

B. Die Steuerung hat die Phasen geändert. Das Magnetfeld zwischen den orangefarbenen Spulen und dem Rotor ist verschwunden. Nun werden die Spulen der „roten“ Phase angesteuert, wodurch das Magnetfeld zwischen den roten Spulen und dem Rotor aufgebaut wird.

Durch die Umschaltung des Magnetfeldes von der orangen auf die rote Spule dreht sich der Rotor um 1,8° im Uhrzeigersinn;
Um den Rotor gegen den Uhrzeigersinn statt im Uhrzeigersinn zu drehen, musste die Polarität (Stromrichtung) über die roten Anschlüsse umgekehrt werden. Schließlich bestimmt die Stromrichtung durch die Spule die Richtung des Magnetfeldes und damit die „Position“ des Nord- und Südpols.

C. Die Steuerung hat erneut die Phase gewechselt und der Rotor hat sich erneut um 1,8° im Uhrzeigersinn gedreht.

Dieselben Spulen wie in Situation A werden mit Strom versorgt, aber die Polarität der orangefarbenen Drähte wurde umgekehrt;
Der Rotor kann durch Ansteuerung der Spulen wieder gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, wie in Situation B gezeigt;
Um den Rotor im Uhrzeigersinn zu drehen, werden auch die roten Spulen bestromt, allerdings ist die Polarität im Vergleich zu Situation B umgekehrt.

In den obigen Beispielen ist zu erkennen, dass der Nordpolrotor von einer Südpolspule und gleichzeitig der Südpolrotor von einer Nordpolspule angezogen wird. Dies sorgt dafür, dass der Hybrid-Schrittmotor sehr präzise Bewegungen ausführt und zudem über ein hohes Drehmoment verfügt.

Der Hybrid-Schrittmotor kann mit mehr Polpaaren und mehr Zähnen am Rotor ausgestattet werden, wodurch Schritte bis zu 0,728° und 500 Schritte pro Umdrehung möglich sind.

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