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4. Elektrische Kleinantriebe
Gleichstrom-, Asynchron- und permanenterregte Synchronmaschinen können grundsätzlich für
kleine Leistungen bis zu wenigen Watt gebaut werden. Die Anforderungen an diese Maschinen
ergeben sich aus den Kennlinien und Betriebsbedingungen der angetriebenen kleinen Arbeitsmaschinen.
Hierzu zählen:
• Elektrowerkzeuge (Bohr-, Fräs- und Schleifmaschinen),
• Haushaltgeräte (Staubsauger, Waschmaschinen, Trockner, Rührwerke, Schlagmühlen und
Fön).
Hauptsächlich drei verschiedene Motorarten kommen auf diesem Gebiet zum Einsatz, deren
Leistungen zwischen 50 W und 1,5 kW liegen.
• Am weitesten verbreitet sind Motoren mit Kollektoren (Universalmotoren, Gleichstromreihenschlussmaschinen)
und kollektorlose Motoren (Induktionsmotoren, Asynchronmaschinen).
Sie können direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen werden und stellen
kostengünstige Lösungen dar. Mit einfachen elektronischen Steuerungen können energiesparende,
komfortable, geräuscharme und flexible Geräte realisiert werden.
• Die Gruppe der elektronisch kommutierten, kollektorlosen Motoren umfasst Permanentmagnet-Synchronmotoren
und geschaltete Reluktanzmotoren. Sie verbinden das hohe
Drehmoment und die variable Drehzahl des Universalmotors mit den Vorteilen des Induktionsmotors.
Spezielle Forderungen ergeben sich beim Einsatz in der
• MSR-Technik (Stellantriebe, Lagegeber),
• Büro- und Rechentechnik (Laufwerke in Rechnern, Drucker und Plotter)
und beim Einsatz in verschieden
• Werkzeugmaschinen (Vorschubantriebe) und Industrierobotern.
Bei diesen Einsatzbeispielen treten die elektrischen Kleinantriebe als typische Bauglieder zur
Informationsnutzung in Erscheinung. Sie werden dabei über elektronische Stellglieder gespeist.
Mit elektronischen Stellgliedern, für die in diesem Leistungsbereich vor allem FET-Module zum
Einsatz kommen, lassen sich nahezu alle Forderungen an die Steuerung und Regelung der
Antriebe erfüllen.
• Servomotoren
In der Vergangenheit wurden Gleichstrom-Kleinantriebe für Stellvorgänge vorzugsweise
eingesetzt. Heute werden Sie von permanenterregten synchronen Kleinantrieben verdrängt.
• Schrittantriebe
Dort, wo keine Regelung notwendig ist, vorzugsweise in der Büro und Rechentechnik,
finden Schrittantriebe mit Permanentmagnetläufer in Wechselpolbauweise, mit Reluktanzläufer
oder mit Permanentmagnetläufer in Gleichpolbauweise (Hybridmotor) Anwendung.
Synchrone Wechselstrom-Kleinmaschinen arbeiten mit einem Drehfeld, wobei der Ständer,
wie bei asynchronen Wechselstrommaschinen, entweder eine zweisträngige Wicklung mit
Kondensatorbeschaltung oder eine kurzgeschlossene Spaltpolwicklung erhält. Bei Spaltpolmaschinen
unterteilt ein Schlitz den gesamten Polbogen in einen Hauptpol und einen Spaltpol, der
einen kräftigen Kurzschlussring erhält. Merkmale der Spaltpolmaschinen sind der einfache
Aufbau, das elliptische Drehfeld, der niedrige Wirkungsgrad (10 % bis 40 %) und die geringe
Leistung bis 150 W. Als Läufer gelangen permanentmagnetische Polsysteme, unsymmetrische
Magnetsysteme (Reluktanzmaschinen) und solche mit hartmagnetischen Werkstoffen (Hysteresemaschinen)
zum Einsatz. Besondere Probleme ergeben sich bei der Erzeugung des
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Anlaufdrehmoments bei permanenterregten Maschinen. Hier wird häufig der Läufer zusätzlich
mit einem Kurzschlusskäfig versehen, damit ein asynchrones Drehmoment gebildet werden kann.
Zur Gewährleistung eines sicheren Anlaufs ist die Kenntnis des Intrittfalldrehmoments M T der
jeweiligen Maschine notwendig. Dieses Moment ist abhängig vom Gesamtträgheitsmoment des
Antriebssystems J ges (M T = f{J ges /J M }). Synchronismus kann nur erreicht werden, wenn gilt:
M ⎛ J
ges ⎞
T0
M
T
= ⋅ - FImax
M
W
1- FI
⎜
max
J
⎟ ≥
(4.1)
⎝ M ⎠
M T0 = Intrittfalldrehmoment, wenn J ges = J M (Maschinenträgheitsmoment);
FI max = max. Trägheitsfaktor.
4.1 Universalmotoren
Der Universalmotor wird dort eingesetzt, wo ein hohes Drehmoment und variable Drehzahl
benötigt werden. Dieser Motortyp, der mit Gleich- oder Wechselstrom versorgt werden kann, hat
in Hausgeräten die größte Verbreitung. Nachteilig sind der mäßige Wirkungsgrad und die
begrenzte Lebensdauer. Der direkte Betrieb am 230-V-Wechselspannungsnetz ist möglich.
Phasenanschnittsteuerung
Eine Drehzahlverstellung lässt sich bei Universalmotoren auf wirtschaftliche Weise durch eine
Phasenanschnitt-Steuerung mit einem Triac erreichen. Die hohen Spitzenwerte des Stromes
führen zu erheblichen Eisenverlusten. Ist der Triac nicht während der gesamten Vollschwingung
leitend, enthält der aus dem Netz entnommene Strom niederfrequente Oberschwingungen, deren
Amplituden die nach IEC-Norm zulässigen Werte übersteigen können.
U Netz
U mot
I mot
M
I mot
U mot
t
Universalmotor mit
Kollektoren im Wechselstrombetrieb
bei Triac-
Phasenanschnittsteuerung
U Netz
Vorteile der Phasenanschnittsteuerung:
• direkter Netzanschluss,
• kostengünstige Lösung,
• variable Drehzahl.
Nachteile der Phasenanschnittsteuerung:
• starker Stromripple,
• Kollektoren verursachen Störungen (Funkenbildung),
• kurze Lebensdauer (3000 h).
Chopperansteuerung
Der Universalmotor lässt sich selbstverständlich mit einer gleichgerichteten Spannung versorgen,
die von einem MOS-FET mit hoher Frequenz getaktet wird. Das Variieren der Drehzahl erfolgt
durch Verändern der am Motor liegenden Spannung über das Tastverhältnis des Gleichstrom-
Tiefsetzstellers.
Da die Spannung gleichgerichtet ist, ergibt sich eine geringere Stromwelligkeit mit der Folge
kleinerer Eisenverluste. Der Netzstrom ist nahezu sinusförmig, so dass die Oberschwingungen
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gering sind. Der Netzfilter unterdrückt effizient die Chopperfrequenz (5 bis 20 kHz), so dass die
Oberschwingungsnorm IEC-1000-2-3 erfüllt werden kann.
Das pulsweitenmodulierte Signal wird vom Mikrocontroller erzeugt und über das MOS-Treiber-
IC an den Chopper-Transistor (MOS-FET) gegeben. Der MOS-Treiber schützt vor Kurzschlussund
Überströmen. Der Mikrocontroller überwacht die Netzspannung und verwaltet die Schnittstelle
zum Benutzer.
I mot
Umot
Imot
Umot
M
t
Power
MOS
UNetz
Universalmotor mit
Chopperansteuerung
U Netz
Vorteile der Chopperansteuerung:
• geringer Stromripple,
• weniger hörbares Geräusch,
• höherer Wirkungsgrad.
Nachteile der Chopperansteuerung:
• Schaltfrequenz 20 kHz,
• HF-Filterung erforderlich.
Gegenüber der Phasenanschnittsteuerung steigt durch die Chopperansteuerung der Wirkungsgrad
erheblich, der Motor kann kleiner dimensioniert werden, die Lebensdauer der Kollektoren nimmt
zu, und der Netzstrom und die Oberschwingungen sinken.
4.2 Induktionsmotoren
Induktionsmotoren (Asynchronmaschinen) werden als Antriebe für Pumpen, Kompressoren,
Kühlgeräte und Lüfter eingesetzt, bei denen es auf Laufruhe und lange Lebensdauer ankommt.
Die Drehzahl dieser, mit Wechselspannung betriebenen Motoren, lässt sich nicht ohne größeren
Aufwand variieren, weil sie durch die Netzfrequenz von 50 Hz bestimmt wird.
Das Ein- und Ausschalten der Induktionsmotoren am
Einphasennetz erfolgt mit einem Triac. Werden
beide Drehrichtungen gefordert, so ist ein zweiter
Triac vorhanden. Der Triac oder die beiden Triacs
werden von einem Mikrocontroller angesteuert, der
auch das Drehmoment überwacht, Über- und Unterspannungen
ausregelt und Hochlauframpen einhält
U Netz
(Wechselstromstellerbetrieb).
Induktionsmotor mit Triac-Steuerung
für beide Drehrichtungen
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Induktionsmotoren mit variabler Drehzahl
Um einen Einphasen-Induktionsmotor mit veränderlicher Drehzahl zu betreiben, muss er mit
einer Spannung angesteuert werden, deren Frequenz variabel ist. Auf wirtschaftliche Weise lässt
sich dies mit einem Umrichter aus vier Schaltern realisieren, der zwei achtstufige, um 90° phasenverschobene
Rechteckwellen erzeugt. Die Amplitude der Spannung wird über das pulsbreitenmodulierte
Signal des Mikrocontrollers an die Frequenz und damit an die Drehzahl angepasst.
Das Drehmoment ist im ganzen Frequenzbereich hoch.
U mot
U mot
U Netz
Drehzahlverstellbarer Einphasen-Induktionsmotor mit Umrichter-Steuerung
Die Ansteuerung der auf Masse bezogenen unteren IGBT's erfolgt mit einem doppelten Low-
Side-Treiber-IC. Zwei High-Side-Treiber übertragen das Ansteuersignal an die auf gleitendem
Potential arbeitenden High-Side-IGBT's. Die Treiber-IC's steuert direkt ein Mikrocontroller an.
4.3 Elektronikmotoren
Bei Elektronikmotoren werden die Nachteile der mechanischen Kommutierung der Ankerströme,
wie sie bei Gleichstrommaschinen auftreten, durch den Einsatz einer elektronischen
Kommutierung vermieden. Zweckmäßigerweise werden die Ankerwicklungen im Ständer der
Maschine angeordnet, so dass bei Verwendung eines dauermagnetisch erregten Läufers (Polrad
besteht aus Ferriten, Al-Ni-Co- bzw. Sm-Co-Magneten) oder eines Reluktanzläufers kein
Schleifkontakt auftritt. Zur zyklischen Selbstweiterschaltung der Ankerströme ist eine Erfassung
der Pollage erforderlich.
S
N
N
S
S
N
S
N
Synchronmotor mit Permanentmagnet
Geschalteter Reluktanzmotor
Der Elektronikmotor, bestehend aus Synchronmotor mit Permanentmagnet und elektronischer
Kommutierung, wird auch als kollektorloser (bürstenloser) Gleichstrommotor bezeichnet. Diese
ausgereifte Technologie ist besonders laufruhig.
Mit geschalteten Reluktanzmotoren (Switched Reluctance Motor, SRM) können Drehzahlen bis
n = 50000 min -1 erzielt werden.
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Bei der Permanentmagneterregung ist kein der Ständerspannung voreilender Strom möglich. Als
Stellglieder kommen nur selbstgelöschte Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis in
Betracht. Die geringe Anzahl der Wicklungsstränge beim Elektronikmotor (vorwiegend drei), im
Vergleich zur großen Anzahl von Kommutatorlamellen bei Gleichstrommaschinen, erfordert
oftmals besondere Maßnahmen bei der Magnetkreisgestaltung. Zur Erzielung eines guten Rundlaufs
bei kleinen Drehzahlen ist die Magnetkreisgestaltung von besonderer Bedeutung.
Das Betriebsverhalten und die Steuermöglichkeiten lassen sich anschaulich im polradorientierten
Koordinatensystem beschreiben. Zur Realisierung der polradorientierten Steuerung sind folgende
Voraussetzungen im stationären und dynamischen Betrieb zu erfüllen:
• Erfassung der Polradlage,
• Ermittlung des Ständerstromvektors mit Hilfe eines Stellgrößenrechners aus dem Sollwert
des Motordrehmoments und der Polradlage,
• Einprägung des Ständerstromvektors in Form dreier zeitlich variabler Strangströme in den
Anker.
Der dafür vorzusehende Aufwand für Motor, Stellglied, Ansteuerung und Regelung hängt vor
allem vom konkreten Einsatzzweck ab. Bei Elektronikmotoren, die als Synchron-Servoantriebe
für Werkzeugmaschinen und Industrieroboter eingesetzt werden, ist dieser Aufwand hoch.
Vorteile von Synchron-Stellantrieben gegenüber Gleichstromstellantrieben:
• höhere Zuverlässigkeit
• Wartungsarmut
• im Läufer der Maschine prinzipbedingt keine Verlustleistung
• kleines Massenträgheitsmoment, dadurch günstiges dynamisches Betriebsverhalten
• hohe Ansprüche an die Rundlaufeigenschaften im Bereich kleinster Drehzahlen sind
realisierbar
Die dynamische Entkopplung von elektrischen und mechanischen Ausgleichsvorgängen wird
durch Stellglieder mit hoher Dynamik und Strangstromregelungen erreicht. Hierfür sind
Transistor-Pulswechselrichter und nichtlineare Stromregler (Zweipunktregler) geeignet. Bei
lagegeregelten Stellantrieben in der MSR-Technik bietet sich die Möglichkeit, für die Zustandsgrößen
Polradwinkel, Drehzahl und Lageposition einen gemeinsamen mechanischen
Messwertgeber zu verwenden.
Bei Kleinantrieben mit geringen Anforderungen an den Stellbereich wird meistens nur die
hochgenaue Drehzahlstabilität dieser Antriebe genutzt. Hier kommen Synchronmotoren mit
Permanentmagnetläufer oder geschaltete Reluktanzmotoren mit einfachen optischen Pollagesensoren
(Rotor-Positionsgeber) zum Einsatz.
+
U mot
HSD
T1
T3
T5
T1
T3
T5
HSD
T3
SM
MC
PWM
T2
T4
T6
HSD
LSD
T5
T4
T6
T2 T4 T6
Prinzipschaltung eines
Synchron-Stellantriebes
_
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Der selbstkommutierende Synchronmotor mit Permanentmagnetläufer wird durch die übliche
Dreiphasen-Brücke (T1 - T6 mit antiparallelen Dioden) angesteuert, die die drei Motorphasen
nacheinander mit Spannung beiderlei Polarität versorgt. Der Mikrocontroller MC erhält über die
drei Rotor-Positionsgeber die Rotorposition (Polradlage) und steuert direkt die Transistoren an,
um auf diese Weise die Phasenwicklungen sequentiell zu kommutieren. Die Transistoren T1, T3
und T5 werden über je einen High-Side-Treiber-IC (HSD) und die Transistoren T2, T4 und T6
über das Dreifach-Low-Side-Treiber-IC (LSD), das gleichzeitig die Spannungsregelung mittels
PWM und Stromüberwachung übernimmt, angesteuert.
Der geschaltete Reluktanzmotor (Switched Reluctance Motor, SRM) wird üblich über eine
asymmetrische Halbbrückenstruktur für jede Wicklung angesteuert. Der hohe Aufwand für diese
Schaltung entspricht der Prinzipschaltung eines Synchron-Stellantriebes; sie ist jedoch vielseitig
und robust.
HSD
T1
+
U mot
PWM
T1
MC
T2
T3
T4
LSD
T3
T4
T2 T3 T4
-
Kostengünstige Ansteuerung eines Dreiphasen-SRM mit nur einem Rotor-Positionsgeber
Eine kostengünstige Ansteuerung eines Dreiphasen-SRM mit nur einem Rotor-Positionsgeber
und vier Transistoren (T1 - T4), z.B. für Haushaltsgeräte, zeigt die obige Schaltung. Nur der
High-Side-Transistor T1, der die Spannung über das PWM-Signal entsprechend der Drehzahl
variiert, und die zugehörige Diode werden mit hoher Frequenz geschaltet. Sie müssen für die
nacheinander auftretenden Ströme der drei Phasen dimensioniert werden.
Die kostengünstigste Lösung stellt der Einphasen-SRM mit zwei Transistoren und zwei
Freilaufdioden dar. Dieser Antrieb ist ausschließlich für hohe Drehzahlen geeignet.
4.4 Schrittantriebe
Schrittmotoren sind eine Sonderbauform der Synchronmaschine. Das Ständerdrehfeld dreht sich
allerdings sprungartig um den Drehwinkel ϕ = n · α und nimmt den Permanentmagnet- oder Reluktanzläufer
mit. Zu einem Schrittmotorenantrieb gehört immer ein dem Motor zugeordnetes
Ansteuergerät, in dem eine Programmeinheit die Steuerbefehle verarbeitet und der Leistungsstufe
zuführt. Diese liefert aus einem Netzteil die erforderliche Impulsfolge zur Speisung der einzelnen
Wicklungsstränge.
Der Ständer hat entweder eine Mehrphasenwicklung, oder mehrere Ständerpakete sind zu einer
sog. Mehrständerausführung zusammengesetzt. Die einzelnen Phasen bzw. Ständerspulen werden
fortlaufend mit Stromimpulsen eingespeist. Es ergibt sich eine diskrete Lageänderung des magnetischen
Feldes. Schrittmotoren wandeln so elektrische Steuerbefehle in proportionale Winkelschritte
um. Die Welle dreht sich bei jedem Steuerimpuls mit einem Schritt um den Winkel α
weiter. Bei schneller Folge der Impulse geht die Schrittbewegung in eine kontinuierliche Drehbewegung
über. Der Schrittmotor kann beliebige Schrittfolgen in beiden Drehrichtungen ohne
Schrittfehler ausführen. Die Position der Läuferstellung des Schrittmotors entspricht dem Erregungszustand
der Spulen und damit der Polarität der Ständerpole. Wird diese Polarität durch Um-
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kehrung der Erregerstromrichtung nach einem festgelegten Schaltrhythmus geändert, so stellt sich
der Läufer schrittweise auf die jeweils neue Position ein.
1 2 3
1
2 3
4
0 1
α 2 αα
3
α
1 Ansteuergerät
2 Programmeinheit
3 Leistungsstufe
4 Schrittmotor
Schrittmotorenantrieb
Schrittmotoren werden als permanenterregte Motoren, als Reluktanzmotoren oder als Hybridmotoren
mit m = 2 bis m = 5 Wicklungssträngen ausgeführt.
• Permanenterregte Motoren in Wechselpol-Bauweise besitzen einen zylindrischen Ferritläufer,
der entlang des Umfangs mehrpolig magnetisiert ist, wobei man mit p ≤ 12 und m = 2
Wicklungssträngen Schrittwinkel von α ≥ 7,5° erreicht. Dieser Motortyp ist preiswert und hat
eine gute Dämpfung und durch den Dauermagneten auch im stromlosen Zustand ein Selbsthaltemoment.
• Reluktanzmotoren besitzen einen Läufer aus einem weichmagnetischen Zahnrad, das sich
entsprechend den bestromten Ständerwicklungen in deren Magnetfeld einstellt. Durch die
Nut-Zahnfolge wird der veränderliche magnetische Widerstand zur Drehmomentbildung verwendet.
Man erreicht mit Reluktanzmotoren Schrittwinkel von α < 1°, hat kein Selbsthaltemoment
(Gl. 2.35) und eine schlechte Dämpfung.
• Hybridmotoren sind permanenterregte Motoren in Gleichpol-Bauweise mit einem Läufer aus
einem axial magnetisierten Dauermagneten, der beidseitig gezahnte Polschuhe aus Weicheisen
enthält. Die Zähne beider Ringe sind gegeneinander um eine halbe Teilung versetzt und
bilden auf der einen Seite nur Nord- auf der anderen nur Südpole. Der Ständer besitzt ebenfalls
gezahnte Pole für eine meist fünfsträngige Wicklung. Hybridmotoren sind vor allem für
große Drehmomente die wichtigste Bauform. Man erreicht Schrittwinkel α < 1°, eine gute
Dämpfung und ein Selbsthaltemoment.
Permanentmagnete
Zahnung
S
N
S
Ν
S
N
N
S
N
S
Ν
S
weichmagnetischer Werkstoff
Permanentmagnetläufer Hybridmotor mit Permanent- Reluktanzläufer
in Wechselpolbauweise magnetläufer in Gleichpolbauweise
Läuferausführungen von Schrittmotoren
Der Schrittwinkel α lässt sich allgemein angeben zu:
360°
α =
(4.2)
2 ⋅ m ⋅ p
m = Phasenzahl p = Polpaarzahl des Läufers
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Die Wirkung einer Zahnung der Ständerpole zur Realisierung kleiner Schrittwinkel kann an
einem viersträngigen Motor mit acht Ständerpolen (m = 4), die jeweils fünf Zähne aufweisen,
gezeigt werden.
A
B
Aufbau von Ständer und Läufer eines
Reluktanzmotors mit gezahnten Ständerpolen
D
C
Bei erregter Ständerwicklung A befinde sich der
Läufer (p = 25) mit 50 Zähnen in Lage 1, d.h. der
Stellung maximalen Leitwerts zwischen Pol A
und den Läuferzähnen. Wird jetzt der Strang B
erregt, so springt der Läufer in die neue Lage 2
mit ebenfalls optimaler magnetischer Zuordnung.
Da die Ständerpolteilung das 50/8 = 6,25fache
der Läuferzahnteilung τ n2 beträgt, entspricht die
Lage 2 einer Drehung um 0,25 · τ n2 . Der
Schrittwinkel des Motors beträgt damit α = 1,8°.
A
50/8 · τ n2
B
τ n2
----- 1
----- 2
Läuferzahnstellung vor (1)
und nach (2) einem Schritt
τn2/4
Um ein möglichst hohes Drehmoment zu erreichen, werden meist gleichzeitig mehrere Stränge
bestromt. Die Art und Reihenfolge in der dieses geschieht, ermöglicht verschiedene Schrittarten.
Vollschritt: Es werden stets alle m oder immer m - 1 Wicklungen bestromt. Für einen
zweisträngigen Schrittmotor ergeben sich bei m bestromten Wicklungen die unten eingetragenen
Feldlagen mit einem Schrittwinkel von 90°.
Halbschritt: Die Bestromung wechselt zwischen m und m - 1 Wicklungen. Man erhält jetzt 8
Feldlagen mit einem Schrittwinkel von 45°. Weil nacheinander eine oder zwei Wicklungen
erregt sind, ändert sich die Ständerdurchflutung im Verhältnis 1 : 2 entsprechende Feldund
Drehmomentenschwankungen sind die Folge. Bei Motoren mit m = 5 sind die
Unterschiede nur gering.
2
Θ I 2
I 1
I 2
I 1
t
1
4 3 2
3
4
1 2 3 4 1
5
6
1
7 8
12345 6 7 812 3
I 2
I 1
t
Vollschrittbetrieb
Halbschrittbetrieb
Schrittmotor (m = 2), Feldlagen und Wicklungsströme
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Neben dem Vollschritt- und Halbschrittbetrieb, die sich bei den meisten Ansteuergeräten
wahlweise einstellen lassen, wird manchmal auch ein sogenannter Minischrittbetrieb (ministep)
vorgesehen. Hier werden die Wicklungsströme mit einer aufwendigen Elektronik pulsweitenmoduliert
geschaltet, was die Anzahl der Feldlagen wesentlich erhöht.
Ansteuerschaltungen der Ständerwicklung
• Bei unipolarer Speisung erhält jeder Pol zwei Wicklungen, von denen jede eine Stromrichtung
übernimmt. Die Elektronik ist mit zwei Schalttransistoren je Pol einfach, die Motorausnützung
aber ungünstig, da stets nur 50% des Wicklungsraumes bestromt ist.
• Bei bipolarer Speisung fließt der Strom in nur einer Strangwicklung je Pol. Beide Stromrichtungen
werden durch die doppelte Zahl an Schalttransistoren erreicht. Da die Motorausnützung
bei bipolarer Speisung günstiger ist, wird diese Ansteuerschaltung bei hohen Drehmomenten
bevorzugt eingesetzt.
Unipolare Speisung
Bipolare Speisung
Ansteuerprinzip eines Schrittmotors
Statisches Drehmoment
Wird ein Schrittmotor bei erregtem Ständerstrang aus seiner Nulllage ausgelenkt, so entwickelt er
ein Rückstellmoment, das nahezu sinusförmig verläuft (Kurve 1). Erreicht die Auslenkung den
Schrittwinkel ϕ = -α, so erhält man das Kippmoment M K , das auch als Haltemoment M H
bezeichnet wird.
Ist der Motor nun dauernd mit einem
M K
∆M
M
-α α α
β
-M K
M
M W
ϕ
1 2
Gegenmoment M W belastet, so kann der
Läufer nicht mehr die Leerlaufstellung
mit ϕ = 0° einnehmen, sondern er bleibt
um den Winkel β zurück (Polradwinkel
der belasteten Synchronmaschine). Mit
dem nächsten Stromimpuls erhält die
Momentenkurve die neue Lage 2 und der
Läufer kann mit dem Beschleunigungsmoment
∆M = M - M W einen Schritt mit
dem Winkel α ausführen. Es bleibt also
bei dem einmaligen Winkelfehler β, d.h.
bei n Steuerimpulsen entsteht eine Verdrehung
um den Winkel n · α - β.
Statisches Drehmoment und Lastwinkel eines Schrittmotors
Der Motor kann den nächsten Schritt ausführen, solange das Lastmoment M W kleiner als der
Momentenwert im Schnittpunkt der Kurven 1 und 2 ist. Schrittfehler treten auf, wenn M W > M K
ist. Schrittfehler können im quasistationären Betrieb auftreten, wenn M W > M WK / 2 ist.
Drehmoment-Frequenzdiagramm
Mit welchen Drehmomenten ein Schrittmotor ohne außer Tritt zu fallen, d.h. ohne Schrittfehler
bei einer bestimmten Steuerfrequenz betrieben werden kann, wird durch die Grenzfrequenz-
Kennlinien angegeben.
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M
M Am
A j
M Bm
f Bm
f Am
f A0m
f B0m
L +
U 0
L -
y n
i
T
R V
L
R 0
A 0
Drehmoment-Frequenzdiagramm
eines
Schrittmotors
B
A Anlaufgrenzfrequenz-
Kennlinie
B Betriebsgrenzfrequenz-Kennlinie
f S
i 1 ohne und i 2 mit Vorwiderstand
R V
τ 2 τ 1
Kurve A 0 gibt die jeweilige Startgrenzfrequenz für J W = 0 an und begrenzt damit den Startbereich
in dem der Motor ohne Schrittfehler mit einem bestimmten Lastträgheitsmoment J W anlaufen und
anhalten kann. Bei J W > 0 sind dann Wertepaare wie Anlaufgrenzfrequenz f Am und Anlaufgrenzmoment
M Am zulässig. Bei der maximalen Anlauffrequenz f A0m ist nur noch Leerlauf
möglich. Nach dem Anlauf kann der Motor innerhalb der Betriebsgrenzkurve B arbeiten.
Das verfügbare Drehmoment verringert sich bei höherer Steuerfrequenz, weil die Wicklungsströme
innerhalb der Stromflussdauer t s immer stärker von der idealen Rechteckform abweichen.
Stromversorgung
Beim Aufschalten einer Gleichspannung U N steigt der Strom exponentiell mit der Zeitkonstanten
τ = L/R des Wicklungsstranges an, d.h. der für das volle Drehmoment erforderliche Endwert des
Stromes I N = U N /R wird erst ungefähr bei t s > 5 · τ erreicht.
Im Konstantspannungs-Betrieb schaltet man zur Erhöhung der zulässigen Steuerfrequenz meist
einen ohmschen Vorwiderstand in den Wicklungsstrang und reduziert damit die Zeitkonstante
entsprechend.
i i 2
i 1
Schaltung und Stromverlauf eines unipolar
angesteuerten Wicklungsstranges
Eine wesentliche Erhöhung des Frequenzbereichs kann man durch Ausführung der Ansteuereinheit
mit Konstantstrom-Betrieb erreichen. Hier erhält die Motorwicklung eine höhere
Spannung als U N aufgeschaltet, so dass der Strom schneller auf einen oberen Grenzwert I og
ansteigt. Jetzt wird die Spannung solange abgeschaltet, bis der Strom wieder auf einen unteren
Wert I ug gesunken ist und danach erneut Spannung angelegt. Man stellt den Strommittelwert I N
also in einem Taktbetrieb (Chopperbetrieb) ein, dessen Frequenz wesentlich über der Steuerfrequenz
liegt.
t
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L +
Stromregler
T4
i 1
(T1, T3)
T3
i 1 (T1, D2)
U 0
y 1
T1
D1
D2
T2
y 2
R m
L -
i 1
I og
Schaltung und Stromverlauf
eines bipolar angesteuerten
Wicklungsstranges
I ug
Die Transistoren T3 und T4 übernehmen
neben dem Ansteuern der
Wicklungsstränge zusätzlich die
Stromreglerfunktion.
T3
T1
D2
T1
T3
T1
D2
T1
T3
T1
D2
T1
T3
T1
D2
T1
T3
T1
D2
T1
T3
T1
t
Gegenüberstellung unipolare und bipolare Ansteuerung
Die unipolare Ansteuerung wendet man vorwiegend für kleine Leistungen an.
Vorteile: • einfacher Aufbau,
• geringerer Preis durch wenige Leistungsbauelemente.
Nachteile: • maximal 50% der Wicklungsstränge sind gleichzeitig stromdurchflossen
• Zusatzverluste durch Vorwiderstände,
• Stromreduzierung bei Motorerwärmung durch Widerstandszunahme.
Die bipolare Ansteuerung wird vorwiegend bei höheren Leistungen und hohen dynamischen
Forderungen eingesetzt.
Vorteile: • alle Wicklungsstränge können gleichzeitig Strom führen,
• kein Zusatzaufwand an Leistungsbauelementen bei Stromregelung
• geringe Verlustleistung,
• im Stromreglerbetrieb keine Temperaturabhängigkeit des Stroms.
Nachteile: • grundsätzlich höherer Aufwand an Leistungsbauelementen,
• größerer Schaltungsaufwand.
G. Schenke, 1.2008 Elektrische Antriebe für Maschinenbauer FB Technik, Abt. E+I 52