Der Rotor eines Schrittmotors wird von einem Magnetfeld in der vorgegebenen Winkellage gehalten. Das Magnetfeld ist elastisch, und der Rotor hat eine Masse. Es handelt sich also um ein typisches Feder-Masse System, vergleichbar mit der Unruhe einer Uhr. Die Vorgabe eines Schrittes von der elektronischen Ansteuerung bedeutet im ersten Moment einen Versatz des Magnetfeldes, vergleichbar mit dem Spannen einer Feder. Das versetzte Magnetfeld übt ein Drehmoment auf den Rotor aus, wodurch dieser beschleunigt wird. Dabei nimmt der Rotor Bewegungsenergie auf, die beim Erreichen der neuen Position wieder abgebaut werden muß (Wechselwirkung mit der Energie des Magnetfeldes). Es kommt zu einem Überschwingen das entsprechend der vorhandenen Dämpfung abgebaut wird. Die Grafik oben zeigt ein typisches "Einzelschrittverhalten" eines Schrittmotors. Die Überschwinger sind im Vollschrittbetrieb besonders ausgeprägt. Deshalb ist es sinnvoll den Motor mit mehreren Halb- oder Mikroschritten zu fahren, wobei der Mikroschrittbetrieb besonders günstig ist.
Das Pendeln des Rotors um die ideale Winkellage kann unter bestimmten Umständen auch während des normalen Laufs des Motors auftreten. Man spricht dann von Resonanzerscheinungen. Die Resonanzen können durch Maßnahmen in der Ansteuerung (Mikroschrittbetrieb) oder durch mech. Dämpfer beseitigt werden. Meist ist jedoch die ohnehin in einem Antriebssystem vorhandene mech. Dämpfung ausreichend.
Drehmomentverhalten im Stillstand
Bei unbelasteter Motorwelle wird sich der Rotor auf einen Lastwinkel von nahezu 0° einstellen, d. h. Feldvektor und Rotorlage sind synchron. Dreht man den Rotor aus dieser Lage heraus, baut sich ein Drehmoment auf, das bei 90° (1 Vollschritt) sein Maximum erreicht (Haltemoment). Im Bereich zwischen 90° und 270° wir das Drehmoment kleiner und dann negativ. Ab 270° zieht sich der Rotor in die Nächste stabile Lage, die nach 4 Vollschritten erreicht wird. Im normalen Betrieb muß der Lastwinkel zwischen -90° und +90° bleiben, weil sonst ein Versatz (Schrittverlust) auftreten kann. Es ist Aufgabe der Auslegung des Antriebs und der Ansteuerung, diese Bedingung einzuhalten.
Obiges Diagramm zeigt eine typische Schrittmotor-Drehmomentkurve aus dem Katalog eines Motorherstellers. Die durchgezogene Linie gilt für den Vollschrittbetrieb, die gestrichelte für den Halbschrittbetrieb. Dieser Motor hat eine ausgeprägte Resonanzstelle bei ca. 220 Hz. Man sieht deutlich, daß die Resonanz im Halbschrittbetrieb weniger ausgeprägt ist. Während des Betriebs muß das Lastmoment immer unter diesen Kurven bleiben. Bei der Auslegung eines Schrittmotorantriebs ist deshalb immer die Summe aus Reibungsmoment, statischem Lastmoment und Beschleunigungsmoment zu ermitteln. Diese Summe darf bei keiner benutzten Frequenz oberhalb der vom Motorhersteller angegebenen Kurven liegen.
Ein Schrittmotor kann bis zu einer bestimmten Frequenz unmittelbar starten oder anhalten. Diese "Start-Stop-Frequenz" ist neben den motoreigenen Daten von der externen trägen Masse an seiner Welle abhängig. Die Abhängigkeit ist in obigem Diagramm dargestellt. Soll der Motor oberhalb der Start-Stop-Frequenz betrieben werden, muß er unterhalb der maximalen Start-Stop-Frequenz gestartet, und dann bis zur Endfrequenz beschleunigt werden. Beim Anhalten wird der Motor bis unter die Start-Stop-Frequenz abgebremst und dann gestoppt. Die Beschleunigungskurve wird in der Regel von einem Rechner erzeugt. Frühere Lösungen mit analogen Funktionsbildern sind inzwischen technisch überholt.
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