Schrittmotor-Grundlagen (ST AN235)
Zusammenfassung
ST-Anwendungshinweis AN235 (Thomas Hopkins, Rev 2/2012): Grundlagen des Schrittmotorantriebs – Motorbauformen (unipolar/bipolar), Schrittfolgen, Drehmomentphysik und Ansteuer-Topologien von L/R bis Chopper. Behandelt zudem Slow-/Fast-Decay-Modi und die nötigen Logiksignale.
Inhalt
Motor-Konfigurationen
- Bipolar: eine Wicklung pro Phase, Stromumkehr per Voll-H-Brücke (je 2 Umschalter); gute Kupferausnutzung (niedriger Wicklungswiderstand).
- Unipolar: Mittelanzapfung pro Phase, nur je 2 Transistoren nach Masse; einfacher Treiber, aber bifilare Doppewicklung → dünnerer Draht, höherer Widerstand.
- Mit modernen ICs ist der bipolare Antrieb nicht mehr aufwendig als der unipolare.
Schrittfolge & Drehmoment
- Ein Schritt pro Strompolumkehr; ein Polpaar ergibt 4 Schritte je elektrischer Periode. Typisch: 1,8°/Schritt = 200 Schritte/Umdrehung (50 Polpaare) oder 7,5° = 48 Schritte.
- Halbschritt: Auflösung verdoppelt (8 Halbschritte/Periode), aber nur ca. 70 % Drehmoment, weil nur eine Spule erregt ist (Vollschritt-Vektor = Summe zweier Spulenvektoren, Faktor √2).
- Ausgleich: Strom in der Einzelphase um Faktor √2 (≈1,4) erhöhen → gleichmäßiges Drehmoment.
- Drehmoment ∝ N·I (Windungszahl × Strom), Verluste ∝ N·I².
- Bipolar nutzt das Kupfer besser: bei gleicher Verlustleistung T_b = √2 · T_u (bzw. I_b = I_u/√2) → ca. 40 % mehr Drehmoment als Unipolar im selben Rahmen.
Ansteuer-Topologien
- L/R-Antrieb: Motornennspannung direkt (z. B. 5 V/1 A → R_c = 5 Ω); I_c = V_s/R_c, Zeitkonstante τ = L_c/R_c. Bei hohen Schrittraten erreicht der Strom nicht mehr den Nennwert → Drehmomentbruch.
- L/nR-Antrieb: höhere Spannung + externer Widerstand (Beispiel: 5× Spannung, 4× Wicklungswiderstand); schnellere Stromanstiege, aber hohe Verluste (~20 W im Widerstand bei 1 A).
- Switch-Mode (Chopper): Spitzenstrom via V_ref und Sense-Widerstand (I_c = V_ref/R_sense); zwei Varianten: festfrequente-PWM-Stromregelung (L297, L6506) und Konstant-Aus-Zeit-FM (L6207, L6208, L6219, PBL3717). Hoher Wirkungsgrad, mittlerer Versorgungsstrom < Phasenstrom (lokaler Stromkreis während Off-Zeit).
- Bilevel-Antrieb: Hochspannung nur für die Übergangszeit (Monoflop), dann niedrige Haltespannung; selten wegen zusätzlicher Leistungskomponenten.
Slow Decay vs. Fast Decay
- Slow Decay: Chopping nur einer Brückenseite → Strom zirkuliert im Niederspannungs-Kreis innerhalb der Brücke; Abklingrate durch L/R-Zeitkonstante bestimmt; geringerer Ripple-Strom.
- Fast Decay: Chopping beider Brückenseiten → Rückführung über die Versorgung, größere Spannung über der Spule → schnelleres Abklingen, aber höherer Ripple.
- Für Voll-/Halbschritt wird meist Slow Decay bevorzugt (weniger Ripple, geringere Verluste im Treiber).
Steuersignale
- Vollschritt: zwei quardegale Rechtecksignale; Drehrichtung = führende Phase, Drehzahl ∝ Taktfrequenz. Mit Chopper: AND-Verknüpfung → vier Signale (eins je Halbbrücke).
- Halbschritt: zusätzlich Inhibit-/Tristate-Signale (6 Leitungen gesamt), damit der Strom beim Übergang Voll→Halbschritt schnell auf null abklingt (Brücke deaktivieren = Fast Decay).
- Umsetzung: L6506 fügt Kommutierung + Stromregelung zusammen; L297 erzeugt alles aus STEP/CLOCK, CW/CCW und HALF/FULL; L6219/L6207 haben die Stromregelung integriert. Half-Step-Torqueripple: REF-Eingang des L297 anheben, solange Inhibit-Leitung low ist.
Quellen
raw/en.CD00003774.pdf– AN235, STMicroelectronics (Doc ID 1679, Rev 2, Nov 2012)