Schrittmotoren richtig ansteuern: Strom, Drehmoment, Störfestigkeit

Schrittmotoren sind der Antrieb der Wahl im Selbstbau, weil sie sich ohne Rückmeldung positionieren lassen. Genau darin liegt aber auch ihre Schwäche: Verliert der Motor Schritte, merkt es die Steuerung nicht. Die Kunst liegt deshalb nicht im Anschließen, sondern in der Auslegung.

Das Grundprinzip

Ein Schrittmotor dreht sich um einen festen Winkel pro Impuls, üblicherweise 1,8 Grad, also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Die Endstufe bestromt die beiden Wicklungen abwechselnd und in abgestuften Verhältnissen. Über diese Zwischenstufen entstehen Mikroschritte, die den Lauf ruhiger machen. Sie erhöhen die Laufruhe deutlich, die tatsächliche Positioniergenauigkeit dagegen kaum, weil das Haltemoment zwischen den Vollschritten stark abnimmt.

Drehmoment fällt mit der Drehzahl

Der zentrale Zusammenhang, an dem die meisten Projekte scheitern: Das Drehmoment eines Schrittmotors sinkt mit steigender Drehzahl. Ursache ist die Induktivität der Wicklung, die den Stromanstieg bremst. Zwei Stellschrauben helfen:

• Höhere Versorgungsspannung. Die Endstufe kann den Strom schneller in die Wicklung treiben. Der Effekt auf die erreichbare Drehzahl ist erheblich.
• Motoren mit niedriger Induktivität. Bei gleichem Haltemoment liefern sie bei hoher Drehzahl deutlich mehr.

Das Haltemoment aus dem Datenblatt gilt im Stillstand. Für die Auslegung zählt das Drehmoment bei der geplanten Verfahrgeschwindigkeit, ablesbar aus der Drehmomentkurve. Wer nur nach Haltemoment kauft, hat eine Maschine, die im Stand kräftig und in Bewegung schwach ist.

Faustregel für die Auslegung: Der Motor sollte bei der geplanten Höchstgeschwindigkeit noch mindestens das Doppelte des benötigten Moments liefern. Schrittverluste kündigen sich nicht an.

Motorstrom richtig einstellen

Die Endstufe begrenzt den Strom auf einen eingestellten Wert. Zu hoch eingestellt, wird der Motor heiß und die Isolierung altert. Zu niedrig, gehen unter Last Schritte verloren. Der Ausgangspunkt ist der Nennstrom aus dem Datenblatt, abzüglich einer Reserve von etwa zehn bis zwanzig Prozent bei Endstufen ohne aktive Kühlung.

Auf Treibermodulen mit Potentiometer wird der Wert als Referenzspannung eingestellt. Der Umrechnungsfaktor steht im Datenblatt des Treiberchips und unterscheidet sich zwischen Bauformen erheblich. Die Werte eines Moduls auf ein anderes zu übertragen, ist eine verbreitete Fehlerquelle. Nach der Einstellung eine halbe Stunde unter Last laufen lassen und die Gehäusetemperatur prüfen: handwarm ist gut, mehr als etwa 80 Grad ist zu viel.

Strommessung mit Shunt

Wer den tatsächlichen Strom messen statt schätzen will, braucht einen Shunt, also einen niederohmigen Widerstand im Strompfad, über dem eine dem Strom proportionale Spannung abfällt. Drei Punkte entscheiden über die Brauchbarkeit:

• Widerstandswert: so klein, dass die Verlustleistung vertretbar bleibt, und so groß, dass die Messspannung über dem Rauschen liegt.
• Belastbarkeit: die Verlustleistung steigt mit dem Quadrat des Stroms. Bei mehreren Ampere ist das schnell im Wattbereich.
• Vierleiteranschluss: Messleitungen direkt am Widerstandskörper abgreifen, sonst misst man den Übergangswiderstand der Lötstelle mit.

Wird der Shunt in der Rückleitung eingebaut, liegt die Messspannung nahe am Bezugspotenzial und lässt sich direkt digitalisieren. Sitzt er in der Zuleitung, braucht es einen Verstärker, der die Gleichtaktspannung verträgt.

Verdrahtung und Störfestigkeit

Die häufigsten Aussetzer im Betrieb sind keine Software-, sondern Verdrahtungsfehler:

1. Motorleitungen geschirmt und paarweise verdrillt führen, Schirm einseitig auflegen.
2. Signalleitungen getrennt von Leistungsleitungen verlegen, im Kabelkanal mit Abstand.
3. Sternförmige Masseführung, Leistungs- und Signalmasse an genau einem Punkt zusammenführen.
4. Stützkondensatoren nah an der Endstufe, damit Stromspitzen nicht über die Zuleitung ausgeglichen werden müssen.
5. Motor nie unter Spannung abstecken. Die Induktionsspannung zerstört die Endstufe zuverlässig.

Beschleunigung statt Höchstgeschwindigkeit

Ein Schrittmotor kann nicht aus dem Stand auf seine Höchstdrehzahl springen. Die Steuerung muss eine Rampe fahren. Ist sie zu steil, bleibt der Rotor zurück, verliert den Tritt und die Position ist verloren, ohne dass es jemand bemerkt. In der Praxis begrenzt fast immer die Beschleunigung die Bearbeitungszeit, nicht die Höchstgeschwindigkeit.

Wann ein Servo die bessere Wahl ist

Sobald Schrittverluste nicht akzeptabel sind oder hohe Drehzahlen bei Last gefordert werden, lohnt der Blick auf einen Servoantrieb mit Rückmeldung. Er kostet mehr und braucht Einstellarbeit, meldet aber Abweichungen, statt sie stillschweigend zu übernehmen. Für die typische Portalfräse im Selbstbau bleibt der Schrittmotor der wirtschaftlichere Weg, wie im Beitrag CNC-Fräse selbst bauen beschrieben.

Wer dieselben Bausteine für bewegte Bühnentechnik einsetzen möchte, findet den Einstieg unter Moving Head selbst bauen.