Unipolare Schrittmotoren, sowohl Permanentmagnet- als auch Hybrid-Schrittmotoren mit 5 oder 6 Drähten, werden üblicherweise wie im Schema in Abbildung 1.2 dargestellt verdrahtet, mit jeweils einem Mittelabgriff an zwei Wicklungen. Im Betrieb werden die Mittelabgriffe der Wicklungen typischerweise an die positive Versorgungsspannung angeschlossen, und die beiden Enden jeder Wicklung werden abwechselnd geerdet, um die Richtung des von der Wicklung erzeugten Feldes umzukehren.

Der in Abbildung 1.2 dargestellte Motorquerschnitt zeigt einen Permanentmagnet- oder Hybridmotor mit 30 Grad pro Schritt – der Unterschied zwischen diesen beiden Motortypen ist auf dieser Abstraktionsebene nicht relevant. Motorwicklung Nummer 1 ist zwischen dem oberen und unteren Statorpol verteilt, während Motorwicklung Nummer 2 zwischen dem linken und rechten Motorpol verteilt ist. Der Rotor ist ein Permanentmagnet mit sechs Polen, drei Süd- und drei Nordpolen, die um seinen Umfang angeordnet sind.

Für höhere Winkelauflösungen muss der Rotor proportional mehr Pole haben. Der in der Abbildung dargestellte Motor mit 30 Grad pro Schritt ist eine der gängigsten Permanentmagnetmotorkonstruktionen, obwohl auch Motoren mit 15 und 7,5 Grad pro Schritt weit verbreitet sind. Permanentmagnetmotoren werden mit Auflösungen von bis zu 1,8 Grad pro Schritt hergestellt, und Hybridmotoren werden routinemäßig mit 3,6 und 1,8 Grad pro Schritt gebaut, wobei Auflösungen von bis zu 0,72 Grad pro Schritt möglich sind.

Wie in der Abbildung dargestellt, bewirkt der Stromfluss vom Mittelabgriff der Wicklung 1 zum Anschluss A, dass der obere Statorpol ein Nordpol und der untere Statorpol ein Südpol ist. Dadurch wird der Rotor in die dargestellte Position gezogen. Wird Wicklung 1 vom Strom getrennt und Wicklung 2 bestromt, dreht sich der Rotor um 30 Grad bzw. einen Schritt.

Um den Motor kontinuierlich zu drehen, legen wir einfach nacheinander Strom an die beiden Wicklungen an. Unter der Annahme einer positiven Logik, bei der eine 1 das Einschalten des Stroms durch eine Motorwicklung bedeutet, drehen die folgenden beiden Steuersequenzen den in Abbildung 1.2 dargestellten Motor 24 Schritte bzw. 4 Umdrehungen im Uhrzeigersinn:

Wicklung 1a 1000100010001000100010001

Wicklung 1b 0010001000100010001000100

Wicklung 2a 0100010001000100010001000

Wicklung 2b 0001000100010001000100010

Zeit --->

Wicklung 1a 1100110011001100110011001

Wicklung 1b 0011001100110011001100110

Wicklung 2a 0110011001100110011001100

Wicklung 2b 1001100110011001100110011

Zeit --->

Beachten Sie, dass die beiden Hälften jeder Wicklung nie gleichzeitig mit Strom versorgt werden. Beide oben gezeigten Sequenzen drehen einen Permanentmagneten schrittweise. Die obere Sequenz versorgt jeweils nur eine Wicklung mit Strom, wie in der obigen Abbildung dargestellt; daher verbraucht sie weniger Strom. Die untere Sequenz versorgt jeweils zwei Wicklungen gleichzeitig mit Strom und erzeugt im Allgemeinen ein etwa 1,4-mal höheres Drehmoment als die obere Sequenz bei doppelt so hohem Stromverbrauch.

Der Abschnitt dieses Tutorials zur Steuerung auf mittlerer Ebene enthält Einzelheiten zu Methoden zum Generieren solcher Sequenzen von Steuersignalen, während der Abschnitt zu Steuerschaltungen die Leistungsschaltkreise behandelt, die zum Antreiben der Motorwicklungen aus solchen Steuersequenzen erforderlich sind.

Die durch die beiden obigen Sequenzen erzeugten Schrittpositionen sind nicht identisch. Daher ermöglicht die Kombination der beiden Sequenzen Halbschritte, wobei der Motor abwechselnd an den durch die eine oder andere Sequenz angezeigten Positionen stoppt. Die kombinierte Sequenz lautet wie folgt:

Wicklung 1a 11000001110000011100000111

Wicklung 1b 00011100000111000001110000

Wicklung 2a 01110000011100000111000001

Wicklung 2b 00000111000001110000011100

Zeit --->

Bipolare Motoren

Abbildung 1.3

Bipolare Permanentmagnet- und Hybridmotoren basieren auf dem gleichen Mechanismus wie Unipolarmotoren, die beiden Wicklungen sind jedoch einfacher verdrahtet und weisen keine Mittelanzapfungen auf. Der Motor selbst ist somit einfacher, die zur Umkehrung der Polarität jedes Motorpolpaares erforderliche Antriebsschaltung ist jedoch komplexer. Das Schema in Abbildung 1.3 zeigt die Verdrahtung eines solchen Motors. Der hier gezeigte Motorquerschnitt entspricht exakt dem in Abbildung 1.2.

Die Antriebsschaltung für einen solchen Motor erfordert für jede Wicklung eine H-Brücken-Steuerschaltung; diese wird im Abschnitt Steuerschaltungen ausführlicher erläutert. Kurz gesagt ermöglicht eine H-Brücke die unabhängige Steuerung der Polarität der an jedem Ende jeder Wicklung angelegten Spannung. Die Steuersequenzen für den Einzelschrittbetrieb eines solchen Motors sind unten dargestellt. Die Symbole + und - kennzeichnen die Polarität der an jedem Motoranschluss angelegten Spannung:

Klemme 1a +---+---+---+--- ++--++--++--++--

Klemme 1b --+---+---+---+- --++--++--++--++

Klemme 2a -+---+---+---+-- -++--++--++--++-

Klemme 2b ---+---+---+---+ +--++--++--++--+

Zeit --->

Beachten Sie, dass diese Sequenzen auf abstrakter Ebene mit denen für einen unipolaren Permanentmagnetmotor identisch sind und dass die Steuerungssysteme für die beiden Motortypen oberhalb der Ebene der H-Brücken-Leistungsschaltelektronik identisch sein können.

Beachten Sie, dass viele Voll-H-Brücken-Treiberchips einen Steuereingang zur Freigabe des Ausgangs und einen weiteren zur Richtungssteuerung haben. Bei zwei solchen Brückenchips, einem pro Wicklung, drehen die folgenden Steuersequenzen den Motor identisch zu den oben angegebenen:

Aktivieren 1 1010101010101010 1111111111111111

Richtung 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100

Aktivieren 2 0101010101010101 1111111111111111

Richtung 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110

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Um einen bipolaren Permanentmagnetmotor von anderen 4-Leiter-Motoren zu unterscheiden, messen Sie die Widerstände zwischen den verschiedenen Anschlüssen. Es ist zu beachten, dass einige Permanentmagnet-Schrittmotoren vier unabhängige Wicklungen haben, die in zwei Sätzen zu je zwei Wicklungen angeordnet sind. Werden die beiden Wicklungen innerhalb eines Satzes in Reihe geschaltet, kann das Ergebnis als bipolarer Hochspannungsmotor verwendet werden. Werden sie parallel geschaltet, kann das Ergebnis als bipolarer Niederspannungsmotor verwendet werden. Werden sie in Reihe mit einem Mittelabgriff geschaltet, kann das Ergebnis als unipolarer Niederspannungsmotor verwendet werden.