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Schrittmotoren

2008-06-30T19:17:43Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten. Der Schritt wird bei steigender Flanke ausgelöst (beim Wechsel des anliegenden Zustandes von "low" zu "high")
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors im Halb-/Vollschrittmodus möchte, kann auch einen SAA1042 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW-, CLK- und half/full-Eingängen, 2 H-Brücken und Freilaufdioden. Man benötogt auch keine externe OSC-Beschaltung zum Takten des ICs, und es gibt keine Strombrgrenzung durch etwaige Vref-Beschaltungen oder Ähnliches. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1042 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, sie ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltpläne und Anschlussbelegung findet man im Datenblatt unter [[#Weblinks]]

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
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| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
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|-
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|-
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|-
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|-
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|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
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|-
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|-
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|-
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===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=13162 Roboternetz-Forum Thread Messung von Daten an einem Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1042 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
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[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2008-06-30T19:16:15Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten. Der Schritt wird bei steigender Flanke ausgelöst (beim Wechsel des zustandes von "low" zu "high")
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

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Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors im Halb-/Vollschrittmodus möchte, kann auch einen SAA1042 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW-, CLK- und half/full-Eingängen, 2 H-Brücken und Freilaufdioden. Man benötogt auch keine externe OSC-Beschaltung zum Takten des ICs, und es gibt keine Strombrgrenzung durch etwaige Vref-Beschaltungen oder Ähnliches. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1042 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, sie ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltpläne und Anschlussbelegung findet man im Datenblatt unter [[#Weblinks]]

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
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|-
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|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
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|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 5
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 6
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 7
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 8
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=13162 Roboternetz-Forum Thread Messung von Daten an einem Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1042 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Motoren]]
[[Category:Elektronik]]

LCD-Modul am AVR

2008-01-19T16:42:35Z

AlKI: /* 4-Bit Ansteuerung mit Busy(I/O Mode) */

[[Bild:lcdmodul_2.jpg|right|thumb|350px|LCD-Modul]]

==Einleitung==

LCD ist eine Abkürzung und bedeutet '''''L'''iquid '''C'''rystal '''D'''isplay''. Übersetzt bedeutet dies Flüssigkristall-Anzeige. Flüssigkristalle sind organische Verbindungen, die Eigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern besitzen. Zwischen zwei Glasplatten mit Polarisationsfiltern schwimmen die Flüssigkristalle. Durch Anlegen einer Wechselspannung ändert sich die Polarisationsebene der Flüssigkristalle und damit, ob das einfallende Licht reflektiert oder absorbiert wird.

Bei einem LCD-Modul befindet sich neben dem LCD auch ein Controller zur Ansteuerung des LCDs.

==Text-Displays==

Text-Displays kommen wegen der problemlosen Anbindung in Mikrocontroller Projekten wie Robotern am häufigsten zum Einsatz. Bei Text-LCDs kommen meistens der HD44780 von Hitachi oder ein kompatibler Controller zum Einsatz. Dieser Controller unterstützt Displays mit bis zu 80 Zeichen. Gängige Displaygrößen sind: 8 × 1, 8 × 2, 16 × 1, 16 × 2, 20 × 2, 20 × 4, 40 × 2 Zeichen Displays (Spalten × Zeilen). Hat das Display mehr als 80 Zeichen, dann benötigt das Display 2 Controller und verhält sich nach außen zur Ansteuerung, wie 2 Displays (zusätzliche Enable Leitung)

===Anschlußbelegung für ≤80 Zeichen Displays===

Text-Displays verfügen über genormte 14 Anschluss Pins (LCD-Module mit Backlight über 16 Pins). Lediglich bei der Backlight Versorgungsspannung und Polung kann es Unterschiede geben. Im Zweifelsfall hilft hier der Blick ins Datenblatt. Entweder sind die Anschlüsse in einer Reihe (1 × 14(16)) oder zweireihig (2 × 7(8)) herausgeführt.

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|Masse
|---
|2
|VCC
|Spannungsversorgung +5V
|---
|3
|VEE
|Kontrast Poti 0..0,5V
|---
|4
|RS
|Register Select, 1=Daten schreiben / 0=Kommando senden.
|---
|5
|R/W
|1=Read / 0=Write zum lesen / schreiben in das Display RAM
|---
|6
|Enable
|Fallende Flanke -> Übertragen des Kommandos oder der Daten, H-Pegel -> Lesen von Daten aus dem Display
|---
|7
|DB0
|Datenbus Bit0 LSB
|---
|8
|DB1
|Datenbus Bit1
|---
|9
|DB2
|Datenbus Bit2
|---
|10
|DB3
|Datenbus Bit3
|---
|11
|DB4
|Datenbus Bit4
|---
|12
|DB5
|Datenbus Bit5
|---
|13
|DB6
|Datenbus Bit6
|---
|14
|DB7
|Datenbus Bit7 MSB
|}

===HD44780 kompatibler LCD Controller===

Der HD44780 LCD Controller besitzt 3 Speicher. Den DDRAM (Display Data RAM) Darin werden die anzuzeigenden Daten geschrieben.
Der CGROM (Character Generator ROM) enthält die Zeichen in Form von 5x8 oder 5x10 Punktmatrizen.
Im CGRAM (Character Generator RAM) können acht benutzerdefinierte Zeichen 5x8 Pixel oder vier 5x10 Pixel abgelegt werden.

====Befehlsübersicht====

{|{{Blauetabelle}}
|-{{Hintergrund1}}
|'''Befehl'''
| '''RS'''
| '''R/W'''
| '''DB7'''
| '''DB6'''
| '''DB5'''
| '''DB4'''
| '''DB3'''
| '''DB2'''
| '''DB1'''
| '''DB0'''
| '''Beschreibung'''
| '''Ausführungszeit bei fosc=250kHz'''
|-
|Clear Display
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|Löscht das Display und setzt den Cursor auf den Anfang der 1. Zeile (Addresse 0).
|1.64mS
|-
|Cursor Home
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|*
|setzt den Cursor auf das Anfang der 1. Zeile (Addresse 0)
|1.64mS
|-
|Entry mode set
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|I/D
|S
|Setzt die Cursor Bewegungsrichtung (I/D), spezifiziert das Display zu schieben (S). Diese Operationen werden während des Daten lesen/schreiben durchgeführt.
|40uS
|-
|Display on/off Control
|0
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|D
|C
|B
|Schaltet an/aus: das gesamte Display (D), Den Cursor (C) Cursor blinken (B).
|40uS
|-
|Cursor/Display shift
|0
|0
|0
|0
|0
|1
|S/C
|R/L
|*
|*
|Setzt Cursor Bewegung oder Display Bewegung (S/C), Bewegungsrichtung (R/L)
|40uS
|-
|Function set
|0
|0
|0
|0
|1
|DL
|N
|F
|*
|*
|Einstellen der Schnittstellen Datenlänge (DL), Anzahl Display Zeilen (N) und Zeichen Font (F).
|40uS
|-
|Set CGRAM Address
|0
|0
|0
|1
|colspan=6 |CGRAM Adresse
|Setzen der CGRAM Adresse. CGRAM Daten werden gesendet und empfangen nach dem setzen.
|40uS
|-
|Set DDRAM Address
|0
|0
|1
|colspan=7 |DDRAM Adresse
|Setzen der DDRAM Adresse. DDRAM Daten werden gesendet und empfangen nach dem setzen.
|40uS
|-
|Read busy-flag and address counter
|0
|1
|BF
|colspan=7 |CGRAM / DDRAM Adresse
|Liest das Busy-flag (BF), welches anzeigt das interne Operationen ausgeführt werden, und liest den CGRAM oder DDRAM Adress Zeiger Inhalt.
|0uS
|-
|Write to CGRAM or DDRAM
|1
|0
|colspan=8 |Schreib Daten
|Schreibt Daten zum CGRAM oder DDRAM.
|40uS
|-
|read from CGRAM or DDRAM
|1
|1
|colspan=8 |Lese Daten
|Liest Daten vom CGRAM oder DDRAM.
|40uS
|}

Anmerkungen:
* DDRAM = Display Data RAM.
* CGRAM = Character Generator RAM.
* DDRAM Adresse entspricht der Cursor Position.
* * = egal.

{|{{Blauetabelle}}
|-{{Hintergrund1}}
|'''Bit Name'''
|'''Einstellung / Status'''
|
|-
|I/D
|0 = Erniedrige Cursor Position
|1 = Erhöhe Cursor Position
|-
|S
|0 = Display nicht schieben
|1 = Display schieben
|-
|D
|0 = Display aus
|1 = Display an
|-
|C
|0 = Cursor aus
|1 = Cursor an
|-
|B
|0 = Cursor blinken aus
|1 = Cursor blinken an
|-
|S/C
|0 = Bewege Cursor
|1 = Schiebe Display
|-
|R/L
|0 = Schiebe nach links
|1 = Schiebe nach rechts
|-
|DL
|0 = 4-bit Interface
|1 = 8-bit Interface
|-
|N
|0 = 1/8 oder 1/11 Duty (1 Zeile)
|1 = 1/16 Duty (2 Zeilen)
|-
|F
|0 = 5x7 Punkte
|1 = 5x10 Punkte
|-
|BF
|0 = Befehle werden akzeptiert
|1 = Interne Operation wird ausgeführt
|}

===8-Bit Ansteuerung (Busmode)===

Für die 8-Bit Busmode Ansteuerung funktioniert nur bei AVR Prozessoren mit externem Bus Interface. Diesen Mode unterstützen allerdings nur die wenigsten Atmel AVR Prozessoren, z.B. der AT90S8515 und ATmega128. Der Busmode empfiehlt sich, wenn man in der Applikation auch externen Speicher verwendet.

[[Bild:lcdmodul_8bit_schem.png|center|thumb|600px|8-Bit Ansteuerung. Quelle: Peter Fleury]]

====BASCOM-AVR Programm====
Das Programm zur Ansteuerung des Displays im 8-Bit Bus Mode.
<pre>
$regfile = "8515def.dat"
$crystal = 4000000
$lcd = &HC000 'Adresse LCD Daten
$lcdrs = &H8000 'Adresse LCD Register select

Config Lcdbus = 8 'LCD im 8-Bit Bus Mode
Config Lcd = 16 * 2 'wir verwenden ein 16 x 2 Zeichen Display

Cls 'loesche das LCD Display
Locate 1 , 1 'Cursor auf 1 Zeile, 1 Spalte
Lcd "Hello world." 'String auf Display anzeigen

...
</pre>

====AVR-GCC Programm====

Das Programm zur Ansteuerung des Displays im 8-Bit Bus Mode. Verwendet wird die lcdlibrary von Peter Fleury.

Folgende Einstellungen sind für obiges Beispiele in der Header Datei lcd.h vorzunehmen:

<pre>
...

/**
* @name Definitions for MCU Clock Frequency
* Adapt the MCU clock frequency in Hz to your target.
*/
#define XTAL 4000000 /**< clock frequency in Hz, used to calculate delay timer */

/**
* @name Definition for LCD controller type
* Use 0 for HD44780 controller, change to 1 for displays with KS0073 controller.
*/
#define LCD_CONTROLLER_KS0073 0 /**< Use 0 for HD44780 controller, 1 for KS0073 controller */

/**
* @name Definitions for Display Size
* Change these definitions to adapt setting to your display
*/
#define LCD_LINES 2 /**< number of visible lines of the display */
#define LCD_DISP_LENGTH 16 /**< visibles characters per line of the display */
#define LCD_LINE_LENGTH 0x40 /**< internal line length of the display */
#define LCD_START_LINE1 0x00 /**< DDRAM address of first char of line 1 */
#define LCD_START_LINE2 0x40 /**< DDRAM address of first char of line 2 */
#define LCD_START_LINE3 0x14 /**< DDRAM address of first char of line 3 */
#define LCD_START_LINE4 0x54 /**< DDRAM address of first char of line 4 */
#define LCD_WRAP_LINES 0 /**< 0: no wrap, 1: wrap at end of visibile line */

#define LCD_IO_MODE 0 /**< 0: memory mapped mode, 1: IO port mode */
#if LCD_IO_MODE
...
#elif defined(__AVR_AT90S4414__) || defined(__AVR_AT90S8515__) || defined(__AVR_ATmega64__) || \
defined(__AVR_ATmega8515__)|| defined(__AVR_ATmega103__) || defined(__AVR_ATmega128__) || \
defined(__AVR_ATmega161__) || defined(__AVR_ATmega162__)
/*
* memory mapped mode is only supported when the device has an external data memory interface
*/
#define LCD_IO_DATA 0xC000 /* A15=E=1, A14=RS=1 */
#define LCD_IO_FUNCTION 0x8000 /* A15=E=1, A14=RS=0 */
#define LCD_IO_READ 0x0100 /* A8 =R/W=1 (R/W: 1=Read, 0=Write */
#else
#error "external data memory interface not available for this device, use 4-bit IO port mode"

#endif

...
</pre>

So sieht das Programmbeispiel in AVR-GCC aus:

<pre>
#include <stdlib.h>
#include <avr/io.h>
#include "lcd.h"

int main(void)
{

/* Initialisiere Display, Cursor aus */
lcd_init(LCD_DISP_ON);

/* loesche das LCD Display und Cursor auf 1 Zeile, 1 Spalte */
lcd_clrscr();

/* String auf Display anzeigen */
lcd_puts("Hello world.");

...
</pre>

===4-Bit Ansteuerung mit Busy(I/O Mode)===

Mit die häufigste Anbindungsart ist sicher die 4-Bit Ansteuerung. Dabei werden die Display-Daten Nibble-weise in den Display Speicher übertragen. Das ist zwar etwas langsamer als im 8-Bit Mode, das spielt aber kaum eine Rolle. Für diese Ansteuerung werden 7 Prozessor Ports benötigt. Die Abfrage des Busy Flags ist durch die Verdrahtung des R/W Pins möglich.

[[Bild:lcdmodul_4bitbusy_schem.png|center|thumb|600px|4-Bit Ansteuerung mit Busy]]
Anmerkung: Unbenutzte Pins des Datenports vom LCD sollten auf GND gelegt werden, da sie ansonsten auf keinen definierten Pegel liegen und Störsignale empfangen.

====BASCOM-AVR Programm====

Das Programm zur Ansteuerung des Displays im 4-Bit I/O Mode benötigt einer spezielle LCD Bibliothek, die 'lcd4busy.lib'. Leider müssen bei der Verwendung dieser Bibliothek alle Pins des LCD Modul an den selben Prozessor Port angeschlossen werden.
<pre>
$lib "lcd4busy.lib" 'ersetzt die Standard LCD Bibliothek
$regfile = "m32def.dat"
$crystal = 16000000

Config Lcd = 20 * 4 'wir verwenden ein 4 x 20 Zeichen Display
Const _lcdport = Portc
Const _lcdddr = Ddrc
Const _lcdin = Pinc
Const _lcd_e = 1
Const _lcd_rw = 2
Const _lcd_rs = 3

Cls 'loesche das LCD Display
Locate 1 , 1 'Cursor auf 1 Zeile, 1 Spalte
Lcd "Hello world." 'String auf Display anzeigen

...
</pre>

====AVR-GCC Programm====

Das Programm zur Ansteuerung des Displays im 4-Bit I/O Mode. Verwendet wird die lcdlibrary von Peter Fleury.

Folgende Einstellungen sind für obiges Beispile in der Header Datei lcd.h vorzunehmen:

<pre>
...

/**
* @name Definitions for MCU Clock Frequency
* Adapt the MCU clock frequency in Hz to your target.
*/
#define XTAL 16000000 /**< clock frequency in Hz, used to calculate delay timer */

/**
* @name Definition for LCD controller type
* Use 0 for HD44780 controller, change to 1 for displays with KS0073 controller.
*/
#define LCD_CONTROLLER_KS0073 0 /**< Use 0 for HD44780 controller, 1 for KS0073 controller */

/**
* @name Definitions for Display Size
* Change these definitions to adapt setting to your display
*/
#define LCD_LINES 4 /**< number of visible lines of the display */
#define LCD_DISP_LENGTH 20 /**< visibles characters per line of the display */
#define LCD_LINE_LENGTH 0x40 /**< internal line length of the display */
#define LCD_START_LINE1 0x00 /**< DDRAM address of first char of line 1 */
#define LCD_START_LINE2 0x40 /**< DDRAM address of first char of line 2 */
#define LCD_START_LINE3 0x14 /**< DDRAM address of first char of line 3 */
#define LCD_START_LINE4 0x54 /**< DDRAM address of first char of line 4 */
#define LCD_WRAP_LINES 0 /**< 0: no wrap, 1: wrap at end of visibile line */

#define LCD_IO_MODE 1 /**< 0: memory mapped mode, 1: IO port mode */
#if LCD_IO_MODE
/**
* @name Definitions for 4-bit IO mode
* Change LCD_PORT if you want to use a different port for the LCD pins.
*
* The four LCD data lines and the three control lines RS, RW, E can be on the
* same port or on different ports.
* Change LCD_RS_PORT, LCD_RW_PORT, LCD_E_PORT if you want the control lines on
* different ports.
*
* Normally the four data lines should be mapped to bit 0..3 on one port, but it
* is possible to connect these data lines in different order or even on different
* ports by adapting the LCD_DATAx_PORT and LCD_DATAx_PIN definitions.
*
*/
#define LCD_PORT PORTC /**< port for the LCD lines */
#define LCD_DATA0_PORT LCD_PORT /**< port for 4bit data bit 0 */
#define LCD_DATA1_PORT LCD_PORT /**< port for 4bit data bit 1 */
#define LCD_DATA2_PORT LCD_PORT /**< port for 4bit data bit 2 */
#define LCD_DATA3_PORT LCD_PORT /**< port for 4bit data bit 3 */
#define LCD_DATA0_PIN 4 /**< pin for 4bit data bit 0 */
#define LCD_DATA1_PIN 5 /**< pin for 4bit data bit 1 */
#define LCD_DATA2_PIN 6 /**< pin for 4bit data bit 2 */
#define LCD_DATA3_PIN 7 /**< pin for 4bit data bit 3 */
#define LCD_RS_PORT LCD_PORT /**< port for RS line */
#define LCD_RS_PIN 3 /**< pin for RS line */
#define LCD_RW_PORT LCD_PORT /**< port for RW line */
#define LCD_RW_PIN 2 /**< pin for RW line */
#define LCD_E_PORT LCD_PORT /**< port for Enable line */
#define LCD_E_PIN 1 /**< pin for Enable line */
...
</pre>

So sieht das Programmbeispiel in AVR-GCC aus:

<pre>
#include <stdlib.h>
#include <avr/io.h>
#include "lcd.h"

int main(void)
{

/* Initialisiere Display, Cursor aus */
lcd_init(LCD_DISP_ON);

/* loesche das LCD Display und Cursor auf 1 Zeile, 1 Spalte */
lcd_clrscr();

/* String auf Display anzeigen */
lcd_puts("Hello world.");

...
</pre>

===4-Bit Ansteuerung ohne Busy(I/O Mode)===

Mit die häufigste Anbindungsart ist sicher die 4-Bit Ansteuerung. Dabei werden die Display-Daten Nibble-weise in den Display Speicher übertragen. Das ist zwar etwas langsamer als im 8-Bit Mode, das spielt aber kaum eine Rolle. Für diese Ansteuerung werden 6 Prozessor Ports benötigt. Die R/W Leitung des Displays kann man dabei einfach auf GND legen, dann ist aber keine Busy-Bit Abfrage möglich.

[[Bild:lcdmodul_4bit_schem.png|center|thumb|600px|4-Bit Ansteuerung]]

====BASCOM-AVR Programm====

Das Programm zur Ansteuerung des Displays im 4-Bit I/O Mode.
<pre>
$regfile = "m32def.dat"
$crystal = 16000000

Config Lcd = 20 * 4 'wir verwenden ein 4 x 20 Zeichen Display
' Im I/O Mode wird jeder Prozessor Pin einzeln angegeben
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portc.0 , Db5 = Portc.1 , Db6 = Portc.2 , Db7 = Portc.3 , E = Portc.5 , Rs = Portc.4

Cls 'loesche das LCD Display
Locate 1 , 1 'Cursor auf 1 Zeile, 1 Spalte
Lcd "Hello world." 'String auf Display anzeigen

...
</pre>

====AVR-GCC Programm====

<pre>

TODO....

</pre>

===Ansteuerung über Porterweiterung===

Mit einem Porterweiterungs Baustein wie dem 74HC595 lassen sich weitere Prozessor-Ports einsparen. Diese Lösung kommt mit 4 Prozessor Ports aus, läßt man die Abfrage des Busy-Bits (PC5) weg, sogar nur mit 3 Prozessor Ports. Trotzdem wird das Display im 8-Bit Mode betrieben.

[[Bild:lcdmodul_portexp_schem.png|center|thumb|600px|Ansteuerung über Porterweiterung]]

====BASCOM-AVR Programm====

Das BASCOM Programm für diese Ansteuerung ist nicht ganz so einfach, da es nicht von der BASCOM Library unterstützt wird. Die Routinen zum Ansprechen des Displays muß man selbst coden.

<pre>

TODO....

</pre>

====AVR-GCC Programm====

<pre>

TODO....

</pre>

===Ansteuerung über I²C===

Nur 2 Prozessor Ports benötigt man bei der I²C-Ansteuerung. Dazu wird als I²C Porterweiterungs IC der PCF8574P benötigt.

[[Bild:lcdmodul_i2c_schem.png|center|thumb|600px|I²C-Ansteuerung]]

====BASCOM-AVR Programm====
Diese Ansteuerung basiert auf der Application Note AN#118 von MCS electronics. Dazu gibt es auch eine fertige Library zu BASCOM-AVR, die die Standard LCD Library ersetzt. Dadurch können die gleichen Befehle zur Ansteuerung verwendet werden wie bei der Standard LCD Library. Das BASCOM-AVR Programm, um das LCD-Modul über I²C anzusprechen, sieht dann so aus.
<pre>
$lib "Lcd_i2c.lib" 'ersetzt die Standard LCD Library
$regfile = "m32def.dat"
$crystal = 16000000

Const Pcf8574_lcd = &H40 'I2C Adresse
Config Scl = Portc.0 'I2C SCL Pin
Config Sda = Portc.1 'I2C SDA Pin
Dim _lcd_e As Byte
_lcd_e = 128 'LCD im 4-Bit Mode betreiben

Cls 'loesche das LCD Display
Locate 1 , 1 'Cursor auf 1 Zeile, 1 Spalte
Lcd "Hello world." 'String auf Display anzeigen

...
</pre>

====AVR-GCC Programm====

<pre>

TODO....

</pre>

===Ansteuerung über RS232===

Ebenfalls nur 2 Pins zur Ansteuerung benötigt die Lösung. Allerdings ist die serielle Schnittstelle bei Mikrocontrollern oft schon mit anderen Aufgaben belegt. Deshalb befindet sich meistens noch zusätzlich eine I²C-Bus Schnittstelle zur Ansteuerung auf dem Modul.

==Graphik-Displays==

In Mikrocontroller-Anwendungen werden seit neuestem, einhergehend mit der größeren Verbreitung von Controllern mit mehr Speicherplatz, auch immer öfter Grafik-Displays und Farb-TFTs eingesetzt. Der Aufwand an Software und Hardware ist hier allerdings um einiges höher (jedes Pixel ist einzeln anzusteuern).

==Siehe auch==

* [[Bascom_und_LCD%27s|BASCOM und LCD's]]
* [[Portexpander_am_AVR|Portexpander am AVR]]
* [[AVR]]
* [[I2C|I²C-Bus]]

==Weblinks==

* [http://www.mcselec.com/index.php?option=com_content&task=view&id=82&Itemid=57 MCS electronics AN #118] - I²C LCD and Keyboard library
* [http://jump.to/fleury Peter Fleury's Homepage] - Interfacing a HD44780 Based LCD to an AVR, LCD library for HD44870 based LCD's
* [http://www.display3000.com Display3000 Homepage] - Verkaufen Farb-TFTs und TFT-Komplettlösungen inkl. Bascom und GCC (WinAVR) Ansteuerung und div. Utilities

==Autore(en)==

[[Benutzer:m_a_r_v_i_n|m a r v i n]]

[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Robotikeinstieg]]
[[Kategorie:Quellcode_Bascom]]
[[Kategorie:Quellcode_C]]

Bascom und LCD's

2008-01-19T16:29:52Z

AlKI: /* Anschlüsse: */

== Mit Bascom, LCD-Displays ansteuern ==

===LCD Display===

Ein LCD-Display kann man mit wenig Aufwand an einen AVR anschließen. Ein paar Leitungen, ein kleines Programm und schon hat man eine Anzeige für den AVR.

Es gibt unter den Displays zwei große Gruppen.

Die einen sind die Text-Displays (können nur Text und deren Sonderzeichen darstellen), die anderen sind die Grafik-Displays.

Hier geht es um Text- Displays.

====Anschlüsse:====

Die meisten Text-LCD’s haben einen 14 poligen bzw. einen 16 poligen Anschluss.
14 polig ist meist ein LCD ohne Hintergrundbeleuchtung und beim 16 poligen ist meist der Pin 15 und 16 die Beleuchtung.

Die Anschlüsse vom LCD-Display:

{|{{Blauetabelle}}
|1
|Vss
|GND
|-
|2
|Vcc
|5V
|-
|3
|Vee
|Kontrastspannung (0V bis 1,5V)
|-
|4
|RS
|Register Select (Befehle/Daten)
|-
|5
|RW
|Read/Write
|-
|6
|E
|Enable
|-
|7
|DB0
|Datenbit 0
|-
|8
|DB1
|Datenbit 1
|-
|9
|DB2
|Datenbit 2
|-
|10
|DB3
|Datenbit 3
|-
|11
|DB4
|Datenbit 4
|-
|12
|DB5
|Datenbit 5
|-
|13
|DB6
|Datenbit 6
|-
|14
|DB7
|Datenbit 7
|-
|15
|Beleuchtung
|GND
|-
|16
|Beleuchtung
|5V über mindestens einen 5 Ohm Widerstand anschließen)
|}

In den meisten Displays wird der Controllerchip HD44780 von Hitachi eingesetzt, oder auch der kompatible Bruder SED1278 von Epson. Auch in Verbindung mit dem Chip HD44100. (Auf der Rückseite vom Display nachschauen) Für alle diese trifft das obige Anschlussbild zu.

Hier ein LCD mit 16 Zeichen mal 2 Zeilen (16*2)
[[Bild:LCD 16 2 Vorderseite.jpg|center]]

Und davon die Rückseite, mit Chip HD44100 und HD44780
[[Bild:LCD_16_2_Rückseite_kleiner.jpg|center]]

Hier ein LCD mit 24 Zeichen in je 2 Zeilen
[[Bild:LCD_24_2_Vorderseite_kleiner.jpg|center]]

Und die Rückseite
[[Bild:LCD_24_2_Rückseite_kleiner.jpg|center]]

==== Anschluss ====
Die Stromversorgung eines LCD sieht so aus:
[[Bild:Stromversorgung.jpg|center]]

Mit dieser Beschaltung kann man schon mal probieren, ob man durch verdrehen des Kontrast-Potie, dunkle Vierecke zu sehen bekommt. Wenn ja, ist bis hier her schon mal alles ok .
Den Kontrast jetzt so einstellen, dass man gerade, diese dunklen Vierecke nicht mehr sieht.

==== Anschlussmöglichkeiten des Displays ====

Das Display besitzt neben der Stromversorgung noch die Anschlüsse: RW, RS , E und 8 Datenleitungen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, wie man die 8 Datenleitungen des Displays an den AVR anschließen kann. 
Einmal den 8-Bit Modus und einmal den 4-Bit Modus.
Beim 8 Bit Modus schließt man alle 8 Datenleitungen an den AVR und kann in einem Schritt ein Zeichen (=1 Byte )in das Display übertragen.
Oder man macht es im 4 Bit Modus mit nur 4 Datenleitungen und muss dafür 2*4 Bit für ein Zeichen übertragen (4 Bit = ein Nibble)

Der Vorteil: 
Ich erspare mir somit 4 Leitungen des AVR’s und kann sie anderweitig nutzen.

Der Nachteil: 
Ich muss für ein Zeichen nun 2*4 Bit übertragen (= langsamer)

Aber da in diesem Fall die Geschwindigkeit nicht so eine große Rolle spielt und wir lieber 4 Leitungen mehr am AVR haben möchten, schließen wird das Display im 4Bit Modus an.

Anschlussbelegung für das Display im 4-Bit Modus: (Als Beispiel am Port D)

{|{{Blauetabelle}}
|
|Display
|Am AVR
|-
|1
|Vss
|GND
|-
|2
|Vcc
|5V
|-
|3
|Vee
|Poti (siehe oben)
|-
|4
|RS
|PD4 am AVR
|-
|5
|RW
|GND
|-
|6
|E
|PD5 am AVR
|-
|7
|DB0
|GND
|-
|8
|DB1
|GND
|-
|9
|DB2
|GND
|-
|10
|DB3
|GND
|-
|11
|DB4
|PD0 am AVR
|-
|12
|DB5
|PD1 am AVR
|-
|13
|DB6
|PD2 am AVR
|-
|14
|DB7
|PD3 am AVR
|-
|15
|Beleu.
|frei
|-
|16
|Beleu.
|frei
|}

Die vier Datenleitungen vom Display, die wir nicht brauchen, legen wir auf Masse. Zu den vier Datenleitungen brauchen wir noch die Leitungen RS und E. Den Anschluss RW brauchen wir nicht und legen ihn deshalb auch auf Masse.

Wir kommen somit für das Display mit 6 Datenleitungen aus, die wir alle an das Port D (vom Mega 8) anschließen.

=== Das Programm für das LCD ===
<pre>
$regfile = "m8def.dat"
$crystal = 4000000

Config Lcd = 16 * 2
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portd.0 , Db5 = Portd.1 , Db6 = Portd.2 , Db7 = Portd.3 , E = Portd.5 , Rs = Portd.4
Config Lcdbus = 4

Cls
Locate 1 , 1
Lcd "Hallo Welt"
</pre>
Dieses Programm gibt den Text „Hallo Welt“ auf dem Display aus.

'''Erklärung:'''
<pre>
$regfile = "m8def.dat"
$crystal = 4000000
</pre>
Definiert den Mega8 als Prozessor und einen 4 Mhz Quarz.

<pre>
Config Lcd = 16 * 2
</pre>
Definiert das LCD-Display als 16*2 Anzeige.
Sind somit zwei Zeilen mit jeweils 16 Zeichen. 
Folgende weitere Typen von LCD’s könnte man angeben:
16*1 , 16*2 , 16*4 , 20*2 , 20*4 , 40*4

<pre>
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portd.0 , Db5 = Portd.1 , Db6 = Portd.2 , Db7 = Portd.3 , E = Portd.5 , Rs = Portd.4
</pre>
Definiert, wo das Display an den AVR angeschlossen wird. Db4, Db5, Db6....., E , RS sind die Pins vom LCD (siehe Tabelle) 
Portd.0, Portd.1 u.s.w., sind die Ports vom Mega8 (Port D) 
Heißt also: Die Leitung Db4 vom LCD wird an den Port PD0
angeschlossen (Pin 2 am Mega8) 
Mit diesem Befehl, kann man das LCD auch an andere Pins vom AVR anschließen

<pre>
Config Lcdbus = 4
</pre>
Definiert den 4-Bit Modus für das LCD.
Beim 8-Bit Modus, müsste man statt der 4 eine 8 schreiben.
Der AVR weis dann, wie viele Datenleitungen angeschlossen wurden und wie er den Datentransfer zu dem LCD durchführen muss.

<pre>
Cls
Locate 1 , 1
</pre>
Cls löscht das LCD-Display und Locate 1,1 definiert die nächste Ausgabe mit 1.) Zeile, 1.)Position 
(Locate 2,10 wäre dann Ausgabe in Zeile 2 und an zehnter Position )

<pre>
Lcd "Hallo Welt"
</pre>
Mit LCD kann man nun den Text ausgeben. :-)

== Sonderfall: LCDs mit mehr als 80 Zeichen ==
(mehr kann der Hitachi Controller nicht verarbeiten) Dieses betrifft z.B. die Module mit 4 * 27, bzw. 4 * 40 Zeichen. Um das Problem zu lösen wurde diesen Displays eine zweite E Leitung spendiert, alle anderen Leitungen des zweiten Controllers sind parallel angeschlossen. In jedem Fall ist das Datenblatt des Herstellers zu Rate zu ziehen.
In Bascom wird eine zusätzliche Bibliothek geladen um solche Displays ansprechen zu können. Dadurch ist es möglich quasi 2 Displays getrennt anzusteuern, bei einem 4 Zeilen-Display sind die beiden oberen und die zwei unteren getrennt zu selektieren.

=== Das zusätzliche Programm für das LCD, bzw. die Änderungen ===

<pre>
'Einbindung der LCD-Bibliothek für ein 2-Prozessor-Display
$lib "lcd4e2.lbx"

'Bascom kennt keine Display mit 27 * 4 Zeichen, daher 40 * 4 verwenden
Config Lcd = 40 * 4

'man achte auf die Ergänzung E2
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portd.0 , Db5 = Portd.1 , Db6 = Portd.2 , Db7 = Portd.3 , E = Portd.5 , E2 = Portd.6 ,Rs = Portd.4

' Systemvariable der LCD-Bibliothek (wichtig, bloß nicht ändern)
Dim ___lcde As Byte

' wählt die beiden oberen Zeilen aus
___lcde = 0

' löscht die beiden oberen Zeilen
Cls
' wählt die obere Zeile aus
Upperline
' schreibt in die erste Zeile an Position 3
Locate 1 , 3
' den Text in Anführungszeichen
Lcd "Zeile 1"
' wählt die zweite Zeile aus
Lowerline
' schreibt in die zweite Zeile an Position 2
Locate 2 , 2
' in diesem Fall den Inhalt der Variablem mit dem Namen Variable
Lcd Variable
' unterdrückt den Cursor
Cursor Off

' wählt die beiden unteren Zeilen aus
___lcde = 1
Waitms 100
Cls
Thirdline
Locate 1 , 1
Lcd "Zeile 3"
Fourthline
Locate 2 , 1
Lcd "Zeile 4"
Cursor Off

</pre>

==Autor==
* [[Benutzer:Roberto|Roberto]]

==Siehe auch==
* [[Avr]]
* [[Bascom]]
* [[LCD an RN-Control]]

==Weblinks==
* [http://www.sprut.de/electronic/lcd/index.htm#einleitung Sprut]

[[Kategorie:Robotikeinstieg]]
[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Software]]
[[Kategorie:Praxis]]
[[Kategorie:Quellcode Bascom]]

Schrittmotoren

2007-09-09T15:25:08Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors im Halb-/Vollschrittmodus möchte, kann auch einen SAA1042 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW-, CLK- und half/full-Eingängen, 2 H-Brücken und Freilaufdioden. Man benötogt auch keine externe OSC-Beschaltung zum Takten des ICs, und es gibt keine Strombrgrenzung durch etwaige Vref-Beschaltungen oder Ähnliches. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1042 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, sie ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltpläne und Anschlussbelegung findet man im Datenblatt unter [[#Weblinks]]

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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- steht für Minus
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===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1042 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
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[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T15:23:35Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors im Halb-/Vollschrittmodus möchte, kann auch einen SAA1042 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW-, CLK- und half/full-Eingängen, 2 H-Brücken und Freilaufdioden. Man benötogt auch keine externe OSC-Beschaltung zum Takten des ICs, und es gibt keine Strombrgrenzung durch etwaige Vref-Beschaltungen oder Ähnliches. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1042 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, es ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltpläne und Anschlussbelegung findet man im Datenblatt unter [[#Weblinks]]

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
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| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 5
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 6
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 7
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 8
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1042 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Motoren]]
[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T15:18:59Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors im Halb-/Vollschrittmodus möchte, kann auch einen SAA1042 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW-, CLK- und half/full-Eingängen, 2 H-Brücken und Freilaufdioden. Man benötogt auch keine externe OSC-Beschaltung zum Takten des ICs. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1042 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, es ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
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| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
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|-
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|-
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|-
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- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
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</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
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|-
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|-
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===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1042 (englisch)]

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[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T15:10:34Z

AlKI: /* Weblinks */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors im Halb-/Vollschrittmodus möchte, kann auch einen SAA1042 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW-, CLK- und half/full-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Man benötogt auch keine externe OSC-Beschaltung zum Takten des ICs. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1042 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, es ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
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|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
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| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
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|-
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|-
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|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
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| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 5
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 8
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1042 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Motoren]]
[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T15:10:16Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors im Halb-/Vollschrittmodus möchte, kann auch einen SAA1042 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW-, CLK- und half/full-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Man benötogt auch keine externe OSC-Beschaltung zum Takten des ICs. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1042 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, es ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
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| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
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|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
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</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
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|-
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|-
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 5
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|-
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|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1024 (englisch)]

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Schrittmotoren

2007-09-09T13:19:52Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors im Halb-/Vollschrittmodus möchte, kann auch einen SAA1024 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW-, CLK- und half/full-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Man benötogt auch keine externe OSC-Beschaltung zum Takten des ICs. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1024 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, es ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
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|-
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|-
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|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
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=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
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{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
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- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
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=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
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{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
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|-
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|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
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|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1024 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Motoren]]
[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T12:59:59Z

AlKI: /* Weblinks */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors möchte, kann auch einen SAA1024 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW- und CLK-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1024 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, es ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 5
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 6
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 7
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 8
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/motorola/SAA1042V.pdf Datenblatt des SAA1024 (englisch)]

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[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T12:59:13Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines kleineren Uni-/bipolaren Schrittmotors möchte, kann auch einen SAA1024 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW- und CLK-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors dürfen (lt. Datenblatt) maximal 500mA fliessen.

Der SAA1024 arbeitet mit bis zu 20V Versorgungsspannung, es ist gleichzeitig die Arbeitsspannung für den Schrittmotor.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
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=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
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=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
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===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/philips/SAA1027.pdf Datenblatt des SAA1027 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Motoren]]
[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T10:08:48Z

AlKI: /* Unverzichtbare Daten */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines '''kleinen''' und '''unipolaren''' Schrittmotors möchte, kann auch einen SAA1027 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW- und CLK-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Leider dürfen durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors (lt. Datenblatt) nur maximal 350mA fliessen. Sie müssen also mindestens 34,3 Ohm Widerstand haben.

Der SAA1027 arbeitet mit 9,5 - 18V Versorgungsspannung, die Arbeitsspannung für den Schrittmotor kann extra angelegt werden und sollte zwischen 1,5 und 18V betragen.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
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| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 5
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 6
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| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 7
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 8
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 5, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/philips/SAA1027.pdf Datenblatt des SAA1027 (englisch)]

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[[Category:Praxis]]
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[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T10:08:14Z

AlKI: /* Unverzichtbare Daten */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines '''kleinen''' und '''unipolaren''' Schrittmotors möchte, kann auch einen SAA1027 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW- und CLK-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Leider dürfen durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors (lt. Datenblatt) nur maximal 350mA fliessen. Sie müssen also mindestens 34,3 Ohm Widerstand haben.

Der SAA1027 arbeitet mit 9,5 - 18V Versorgungsspannung, die Arbeitsspannung für den Schrittmotor kann extra angelegt werden und sollte zwischen 1,5 und 18V betragen.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
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| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
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=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
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!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
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===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man die Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/philips/SAA1027.pdf Datenblatt des SAA1027 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
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[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T10:04:20Z

AlKI: /* Weblinks */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines '''kleinen''' und '''unipolaren''' Schrittmotors möchte, kann auch einen SAA1027 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW- und CLK-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Leider dürfen durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors (lt. Datenblatt) nur maximal 350mA fliessen. Sie müssen also mindestens 34,3 Ohm Widerstand haben.

Der SAA1027 arbeitet mit 9,5 - 18V Versorgungsspannung, die Arbeitsspannung für den Schrittmotor kann extra angelegt werden und sollte zwischen 1,5 und 18V betragen.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
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| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
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| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
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| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 5
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 6
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| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 7
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 8
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man den Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich (mittlerweile auf S.2)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/philips/SAA1027.pdf Datenblatt des SAA1027 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
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[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T10:03:17Z

AlKI: /* Weblinks */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines '''kleinen''' und '''unipolaren''' Schrittmotors möchte, kann auch einen SAA1027 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW- und CLK-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Leider dürfen durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors (lt. Datenblatt) nur maximal 350mA fliessen. Sie müssen also mindestens 34,3 Ohm Widerstand haben.

Der SAA1027 arbeitet mit 9,5 - 18V Versorgungsspannung, die Arbeitsspannung für den Schrittmotor kann extra angelegt werden und sollte zwischen 1,5 und 18V betragen.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 2
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
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!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
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===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man den Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:

* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

'''Datenblätter'''
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt im RN-Downloadbereich]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/052daje928cw7pc0uqs1ipyryppy.pdf Datenblatt des L298 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/c/0g0gh362kxwx30o7xi4x2i4jzffy.pdf Datenblatt des L297 (englisch)]
* [http://www.ortodoxism.ro/datasheets/philips/SAA1027.pdf Datenblatt des SAA1027 (englisch)]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Motoren]]
[[Category:Elektronik]]

Schrittmotoren

2007-09-09T09:50:44Z

AlKI: /* Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297 */

==Was ist ein Schrittmotor==

Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht.

Ein Schrittmotor (oft auch ''Stepper'' genannt) ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren.

==Wie unterscheidet man Schrittmotoren==
Man unterscheidet den Schrittmotor nach seiner Bauform in Reluktanzmotor und Permanentmagnetmotor, wobei man beide Formen auch zu einem Hybridschrittmotor kombinieren kann.
Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Dieses Material gewährleistet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Verschwinden jedes Rest-Magnetfeldes. Dadurch kann der magnetische Fluss bei eingeschaltetem Strom ungehindert durch den Weicheisenkern fließen. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil so der Abstand zwischen dem nächstliegendem Zahn des Rotors und dem Stator verringert werden kann und der magnetische Widerstand verringert wird.

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht.

Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er daher im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, in dem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren. Als High-Torque Motoren (=hohes Drehmoment) werden häufig Typen bezeichnet, bei denen für den Rotor besonders starke Seltenerdenmagnete verwendet werden. So lässt sich eine besonders hohe Kraftdichte erzielen.

Typische Anwendungsgebiete sind Drucker, vor allem Matrixdrucker, oder der Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber oder ähnliches) betrieben werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden.

Schrittmotoren existieren auch in Form von Linearmotoren. Schrittmotoren können bis ca. 1 kW wirtschaftlich eingesetzt werden.

==Prinzip der Schrittmotoren==

Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft (siehe Bild)

[[Bild:schrittmotorprinzip.gif|center]]

Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen.

==Schrittmotoransteuerung==
Um dies zu erreichen, benötigt man entweder eine elektronische Schaltung oder man verbindet die einzelnen Spulenenden jeweils mit einem Port eines Microcontrollers. Vorsicht, natürlich nicht direkt verbinden. Die Leistung eines Ports reicht natürlich niemals aus, um einen Motor zu bewegen. Ein Motortreiber (Verstärker) muss also schon dazwischen geschaltet werden. Zum Beispiel der Schaltkreis L293D, siehe Zeichnung.

[[Bild:schrittmotorprinzip2.gif|center]]

oder aber der stärkere L6205:

[[Bild:l6205.gif|center]]

Nun müsste der Microcontroller also nur noch eine 4-stellige Bitfolge ausgeben, um den Motor an den 4 Anschlüssen ständig in einer bestimmten Kombination mit Spannung zu versorgen.. Bei jeder Portausgabe würde sich somit der Schrittmotor einen Schritt bewegen. Das Ganze könnte natürlich in der Software in einer Schleife gemacht werden. Der Schleifenindex würde somit die Zahl der Schritte angeben. Der große Vorteil bei Schrittmotoren ist, dass man durch diese Methode ganz genau festlegen kann, wie weit sich ein Schrittmotor dreht. Man kann somit auch genau ausrechnen, wie viel Schritte pro Radumdrehung notwendig sind. Nutzt man keine Untersetzung (was ich allerdings noch zusätzlich empfehlen würde) so bräuchte man bei den meisten Motoren wie schon erwähnt 200 Schritte pro Radumdrehung. Berechnet man dann den Umfang des Rades, so kann man genau ausrechnen, wie viele Schritte pro cm Fahrtstrecke notwendig sind. So könnte man schnell eine Routine schreiben, welche als Parameter die Fahrtstrecke entgegennimmt und dann daraus die Schritte errechnet und in einer Schleife an die Ports weitergibt.

Genauer lässt sich ein Roboter eigentlich kaum steuern. Ein Schrittmotor bewegt sich nur bei einem Schritt, ansonsten sorgt das Haltemoment dafür, dass er sich nicht weiter bewegt. Nachteil ist nur, dass der Motor auch im Stand mit Strom versorgt wird, damit er sich nicht bei unebenen Böden oder an Steigungen bewegt. Bei Robotern, die sich nur in der Wohnung bewegen, kann man oft auch in der Praxis die Spannung abschalten, ohne dass sich der Motor bewegt, insbesondere wenn man vielleicht durch einen Zahnriemen noch eine Untersetzung von 4:1 oder 6:1 eingebaut hat.

In der Tat werden viele Roboter schon auf diese Weise gesteuert. Optimal ist diese Methode allerdings nicht, insbesondere bei schweren Robotern reicht die Kraft bei dieser Art Steuerung nicht aus, dies wird leider in vielen Artikeln zu diesem Thema verschwiegen. Wenn ein Motor zu schwach ist, können auch Schritte verloren gehen, wenn die Kraft nicht ausreicht um z.B. einen höheren Teppichrand zu überfahren. Dadurch würde die genaue Positionierung wieder gestört.

Gleich dazu mehr. Erwähnen möchte ich erst noch kurz die bipolaren Motoren mit 4 Anschlüssen (also ohne Mittelanzapfung). Diese sind im Prinzip nicht anders aufgebaut als die unipolaren. Da sie jedoch keine Mittelanzapfung besitzen, wird das unterschiedliche Magnetfeld dadurch erreicht, dass man die Spannung an den Spulenenden immer umpolt. Lange Zeit galt das für Bastler als etwas zu kompliziert, daher wurde die unipolare Ansteuerung oft vorgezogen. Durch neue integrierte Schaltkreise wie den L298 ist das aber auch kein Problem mehr. Erwähnen möchte ich noch die Motoren mit 8 Anschlüssen. Im Prinzip sind das Motoren, in denen die beiden Spulen in der Mitte aufgetrennt und herausgeführt wurden. Diese Motoren erlauben wahlweise eine bipolare oder unipolare Ansteuerung. Man kann die Leistung und Anschlusswerte auch verändern, indem man hier die 4 Spulen (sind ja nun quasi 4 durch die Auftrennung) entweder parallel oder in Serie schaltet.

Hier alle denkbaren Ansteuerungsmöglichkeiten bei den unterschiedlichen Motoren (die Farbangaben können bei den Motoren sehr unterschiedlich sein):

[[Bild:schrittmotorprinzip3.gif|center]]

==Ansteuerarten==

Die einfachste Art, einen Schrittmotor zu betreiben, ist der sogenannte WaveDrive-Betrieb, bei dem immmer nur eine Spule stromerfüllt ist. Dies ist am einfachste zu realisieren, birgt aber ein geringes Drehmoment. Die Positionnen, die der Rotor einnehmen kann, liegen bei 0, 90, 180 und 270 Grad. Werden dagegen immer zwei benachbarte Spulen mit Strom versorgt, gelangt man zum sog. Vollschrittbetrieb und erreicht ein größeres Drehmoment. Die Positionen liegen hier genau zwischen den Positionen beim WaveDrive-Betrieb. Werden beide Betriebsarten kombiniert, also immer abwechselnd eine oder beide Spulen versorgt, können insgesamt schon 8 Positionen anfahren werden. Dies nennt man Halbschrittbetrieb. Führt man diese Idee wieter, so gelangt man zu einem Idealen Drehfeld: Beide Spulenpaare werden mit einer Sin/Cos-Welle angesteuert, sodaß sich ein nahezu idealer Rundlauf ergibt. Die Vorteile des Mehrschrittbetriebs liegen auf der Hand: Der Kraftverlauf wird bei kleinere Schritten gleichmäßiger, die Gefahr des Schrittverlustes sinkt und der Motor wird deutlich leiser.

==Schrittmotoren in Bezug auf Roboter==

[[Bild:Schrittmotor.jpg|right]]
Schrittmotoren eignen sich vorzüglich für Roboter. Insbesondere für Roboter, die sich nur im Haus bewegen und weniger als 20 kg wiegen, halte ich persönlich Schrittmotoren für die 1. Wahl. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Steuerung besonders leicht und präzise per Software möglich ist. Oft hört man in Foren, dass Schrittmotoren im Vergleich zu Getriebemotoren recht schwach seien. Dazu ist zu sagen, dass dieser Vergleich etwas hinkt. Ein Schrittmotor könnte ja auch mit einem Getriebe versehen werden. Also wenn man Getriebemotoren schon mit Schrittmotoren vergleicht, dann müssten beide über ein Getriebe verfügen. Natürlich gibt es auch Schrittmotoren mit Getriebe. Allerdings braucht man bei Schrittmotoren oft gar kein Getriebe, denn die Kraft ohne Getriebe ist nämlich in der Regel wesentlich höher als bei den Gleichstrommotoren. Auch niedrige Drehzahlen sind bei Schrittmotoren kein Problem, sogar von Vorteil. Je niedriger die Drehzahl, desto höher ist bei Schrittmotoren das Drehmoment.
Dass es trotzdem immer wieder bei Einsteigern Probleme mit der Wahl des richtigen Schrittmotors gibt, liegt vorwiegend am mangelnden Wissen über das Stromverhalten dieser Motoren. Dazu später ein paar Tipps, die zeigen, dass man auch schwere Roboter durchaus mit recht kleinen Motoren bewegen kann. Zuvor aber ein paar Grundlagen für Einsteiger. Anwender, die sich schon etwas mit Schrittmotoren auskennen, können den nächsten Absatz überspringen

==Fehler, die bei der Motorwahl oft gemacht werden==

Bei der Auswahl eines Schrittmotors sollte man sorgfältig vorgehen. Kleine Motoren, wie sie in Druckern oder Floppys stecken, reichen in der Regel wirklich nur für Roboter der Fliegengewichtsklasse aus. Wenn ein Roboter ein paar kg wiegt, dann braucht man schon etwas mehr Power. Hier sollte man immer auf das Haltemoment achten, dies entspricht fast dem Drehmoment. Mit einem Motor, der 40 Ncm Haltemoment besitzt kann man schon einiges anfangen. Bei einigen Versuchen hab ich durchaus Roboter mit 10 kg ohne Schrittverlust damit bewegt. Allerdings hab ich noch eine Untersetzung 6:1 über Riemen eingebaut. Wenn man sicher gehen will, dann nimmt man immer einen etwas stärkeren Motor. Ein 100 Ncm Motor kommt oft noch mit 6 oder 7 VA (Watt) aus.
Es ist ein Irrtum, dass sich die Größe des Motors linear mit der Kraft ändert. Es gibt zahlreiche Motoren, welche die gleiche Größe aufweisen und dennoch ganz unterschiedlich stark sind. Ein Standardmaß ist 56 x 56 mm. In der Regel findet man in dieser Größe schon starke Motoren, die keine Wünsche mehr offen lassen.

Ein Fehler, der bei der Auswahl des Motors oft gemacht wird, ist die Betriebsspannung. Auch ich habe am Anfang gedacht, dass man bei einer vorhandenen Spannung von 12 V am besten einen Motortyp mit 12 V kaufen muss. Dies ist zwar nicht ganz falsch, aber wird nie zu großer Leistung führen. Wichtig für den Motor ist, dass der angegebene Strom fließt. Ein Motor, bei dem beispielsweise 12 V und 0,5 A angegeben sind, wird in der Praxis nur bei wirklich sehr niedrigen Drehzahlen seine Kraft, also sein Drehmoment, erreichen. Je höher die Drehzahl, desto schwächer wird der Motor. Das kann soweit gehen, dass schon das geringste Hindernis den Motor Schritte verlieren lässt oder dass der Motor bei höheren Drehzahlen gar nicht mehr anläuft.

[[Bild:stepperdrehmoment.gif|center]]

Woran liegt dies? Ganz einfach: Ein Schrittmotor hat auch eine Induktivität. Da der Motor ständig umgepolt wird, wird durch diese Induktivität eine Art Gegenstrom erzeugt. Dies hat zur Folge, dass der eigentliche Strom bei höheren Drehzahlen nicht mehr erreicht wird. Je schneller sich der Motor dreht, desto weniger Strom fließt. Verständlich, dass dadurch die Leistung reduziert wird.

Wie kann man diesem Verhalten entgegenwirken? Ganz einfach mit einer wesentlich höheren Spannung als auf dem Motor angegeben. Doch Vorsicht, so einfach geht es nicht. Wenn der Motor steht oder sich langsam dreht, dann würde der Motor ja sofort durchbrennen. Die Lösung ist eine stromgeregelte Steuerung! Die Regelung wird mit einer hohen Spannung (oft bis zu 30 oder 40 Volt) versorgt. Aber die Regelung sorgt dafür, dass immer nur der eingestellte Nennstrom, in unserem Beispiel 0,5 A, zum Motor gelangt. Auf diese Art und Weise wird der Motor, ohne Schaden zu nehmen, immer mit der optimalen Spannung versorgt.

In der Tat werden heute alle Schrittmotoren, die etwas Leistung bringen müssen, z.B. bei Drehmaschinen, auf diese Art angesteuert. Das Ganze klingt nun recht kompliziert und aufwendig für einen Roboter-Hobbybastler. Ist es aber nicht, denn es gibt heute zwei integrierte Schaltkreise, die einen das Ganze recht einfach machen.

==Schaltung zum Ansteuern eines Schrittmotors mit L298 und L297==

Die hier abgebildete Schaltung ist quasi der Standard für Schrittmotoren. Auch bei Drehmaschinen wird diese Schaltung oft eingesetzt.

[[Bild:l298standard.gif|center| Widerstand RS1, RS2: 1 oder 0,5 Ohm (bei größerer Belastung); Dioden: schnelle Dioden z.B. BYV27-200]]

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer Experimentierplatine aufbauen, es gibt jetzt aber auf vielfachen Wunsch auch eine fertig erhältliche Platine für Einsteiger.

[[Bild:rnstepp297_platine390.jpg|center| Eine erhältliche Platine erleichtert den Aufbau der Schaltung erheblich]]

Bedenkt man, dass auch bei einem Gleichstrommotor ein Motortreiber notwendig ist, dann ist diese Schaltung auch nicht viel komplexer. Die einzelnen Steuerleitungen können direkt mit den Ports eines Microcontrollers ([[Controllerboard]]) oder mit dem Parallelport eines PCs verbunden werden. Hier die Bedeutung:

{| style="background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|-
|
{| {{Blauetabelle}}
|-
|{{Hintergrund1}} | Bezeichnung
|{{Hintergrund1}} width=40| Pin #
|{{Hintergrund1}} | Erklärung
|-
| '''CW/CCW'''
| 17
| Gibt die Richtung an, in die der Motor bewegt werden soll
(CW = ClockWise = im Uhrzeigersinn, CCW = CounterClockWise = gegen den Uhrzeigersinn)
|-
| '''Clock'''
| 18
| Durch einen kurzen Impuls auf diese Leitung wird der Motor einen Schritt bewegt. In einer Schleife braucht mal also nur diese Leitung kurz ein- und auszuschalten.
|-
| '''Half/Full'''
| 19
| Gewöhnlich legt man den Anschluss auf Masse. Legt man ihn auf 5 V, dann werden immer halbe Schritte durchgeführt, also doppelt so viele Schritte pro Umdrehung
|-
| '''Enable'''
| 10
| Wenn man diesen Anschluss auf Masse legt, wird die Motorspannung ausgeschaltet
|-
|'''Vref'''
| 15
| Hier muss eine Spannung zwischen 0 und 3 Volt angelegt werden. Die Spannung legt den maximalen Motorstrom fest.
VRef berechnet sich nach folgender Formel:

<math>V_{ref} = I_{Motorstrom} \cdot R_s</math>

Angenommen, Sie haben einen Motor, der 0,5 A Strom verträgt und einen 1 Ohm Widerstand für Rs gewählt, sieht die Rechnung so aus:

<math>Vref=0,5A \cdot 1 \Omega = 0,5V</math>

Man muss also an Vref eine Spannung von 0,5 V anlegen. Am Einfachsten geht das, indem man zwischen 5 V und Masse ein 10-k-Poti und den Schleifer an Vref legt. Damit man die 3 Volt nicht überschreitet kann man zwischen 5 V und Poti noch einen 6 kOhm Widerstand legen.
|-
|'''RESET'''
| 20
| Bringt Schrittmotor in Grundstellung (dieser Anschluss muss auf +5 V gelegt werden, damit die Schaltung funktioniert [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=16449&postdays=0&postorder=asc&start=22 Quelle])
|-
|'''Control'''
| 11
| Mit diesem Anschluss kann man die Art des [[Chopper Betrieb]]s ändern. Ist der Control Eingang auf high, dann klingt der Motorstrom langsam ab (Phasen Chopping), zum schnellen Abklingen setzt man ihn auf low (Inhibit Chopping).
|-
|'''Sync, Home'''
| 1,3
| Diese Anschlüsse kann man meist vernachlässigen und unbelegt lassen
|}

|

{| style="float:right; background:transparent; padding:0px; margin:0px;"
|- valign="top"
|
|-
| [[Bild:l298eigenbau.jpeg|thumb|200px|right|Meine erste Schrittmotoransteuerung. Nicht schön - aber es funktionierte :-)]]
[[Bild:rnstepp297.jpeg|thumb|200px|right|Die gleiche Schaltung heute als Bausatz RN-Stepp297 für einen Schrittmotor - nur noch 1/4 so groß!]]

|-
|}

|-
|}

Wie Sie sehen, braucht man also nur 3 Port-Pins, um einen Schrittmotor in beliebige Richtungen und in beliebiger Geschwindigkeit bewegen zu können. Kommt noch ein Motor hinzu, dann könnte man die Enable-Leitung beider verbinden, sodass dann zwei Motoren mit 5 Ports-Pins optimal gesteuert werden können. Ich habe mit einer solchen Schaltung auf einer Experimentierplatine schon einen 15-kg-Roboter problemlos mit einer C-Control gesteuert.

Einen interessanten Forum Thread zu oberer Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Hier noch mal ein größerer Schaltplan mit eingezeichnetem Anschlussstecker und Spannungsteiler.

[[Bild:schaltungstep298.gif|thumb|right|Ansteuerung mit L298]]

Wichtig ist nur, dass man diese Schaltung mit einer möglichst hohen Spannung versorgt und einen Schrittmotor mit möglichst niedriger Spannung auswählt. Man sollte sich nicht davor abschrecken lassen, dass Schrittmotoren mit niedriger Spannung höhere Ströme z.B. 1 bis 2 A benötigen. Die Leistung berechnet sich ja bekanntlich mit der Formel P=U*I. Somit brauchen auch diese Motoren nicht mehr Energie als Motoren mit höherer Spannung und niedrigem Strombedarf. Hat man bei einem Roboter nur 12 V zur Verfügung, so ist es empfehlenswert z.B. einen 3- oder 4-Volt-Motor zu kaufen. Der Widerstand sollte jedenfalls deutlich unter 10 Ohm liegen. In diesem Fall könnte man dann die obige Schaltung auch mit 12 V betreiben. Allerdings bei höheren Drehzahlen würde die Spannung wegen der Induktivität meist immer noch nicht ausreichen, um die volle Leistung des Motors zu nutzen. Daher wäre zu überlegen, ob man nicht zwei 12-V-Batterien in Serie schaltet oder eine Spannungsverdopplerschaltung einsetzt. Ich habe mich für letzteres entschieden. Mit ein paar Kondensatoren und Dioden kann man recht einfach die Spannung von 12 auf ca. 21 V erhöhen. In der Praxis bricht dieses Spannung bei hohen Strömen ein paar Volt ein, aber das tut der Leistung keinen Abbruch. Mit Spannungsverdoppler war der Motor jedenfalls deutlich stärker und hatte mit 15 kg in der Wohnung keinerlei Probleme. Schwieriger wird es mit Motoren, die schwerer als 15 kg sind, denn hier wird der Strombedarf einfach zu groß und die Akku-Kapazität ist zu schnell erschöpft.

[[Bild:icrnst01schaltplan.gif|thumb|Schrittmotorsteuerung mit RS232 oder I2C]]

Fazit: Roboter, die sehr genau gesteuert werden müssen und deutlich weniger als 10 kg wiegen, kann man sehr gut mit Schrittmotoren steuern. Bei Robotern, die schwerer sind, sich sehr schnell bewegen müssen oder deren Steuergenauigkeit nicht so wichtig ist, sind Getriebemotoren oft sinnvoller.

Als Alternative eine Ansteuerung für 2 Schrittmotoren per Befehl über I2C oder RS232
speziell für Roboter Bastler (ebenfalls mit Stromregelung und L298). Das Board RN-Motor beruht auf dieser Schaltung

Ein interessanter Forum Thread zu dieser Schaltung findet man unter [[#Weblinks]]

Neben dem Motortreiber L298 gibt es aber auch Alternative Motortreiber die sich sehr gut für die Schrittmotorsteuerung eignen. Sehr gut eignen sich zum Beispiel auch L293D oder der neuere L6205. Diese Treiber werden auf unserer Seite [[Getriebemotoren Ansteuerung]] näher beschrieben.

Wer eine etwas einfachere Schaltung zum Ansteuern eines '''kleinen''' und '''unipolaren''' Schrittmotors möchte, kann auch einen SAA1027 benutzen. Dieser 16-polige IC beinhaltet ein Schieberegister mit CW/CCW- und CLK-Eingängen, 4 Output-Transistoren und Freilaufdioden. Leider dürfen durch die einzelnen Windungen des Schrittmotors (lt. Datenblatt) nur maximal 350mA fliessen. Sie müssen also mindestens 34,3 Ohm Widerstand haben.

Der SAA1027 arbeitet mit 9,5 - 18V Versorgungsspannung, die Arbeitsspannung für den Schrittmotor kann extra angelegt werden und sollte zwischen 1,5 und 18V betragen.

Schaltplan und Anschlussbelegung folgen.

==Wie identifiziert man die Leitungen wenn man kein Datenblatt zum Motor hat?==

Ein Schrittmotor ist aus zwei Spulen aufgebaut:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

Mit einem Ohmmeter kann man die Anschlüsse einfach identifizieren: Von Spule 1 - a nach Spule 1 - Common ist der Widerstand halb so groß wie der Widerstand von Spule 1 - a nach Spule 1 - b. Der Widerstand nach den Anschlüssen von Spule 2 sollte unendlich sein.

Dass die Anschlüsse a und b voneinander nicht zu unterscheiden sind, ist unwichtig. Falls Sie sie vertauschen, dreht sich der Motor andersherum. Wichtig ist allenfalls, dass sie bei mehreren Motoren gleichen Typs die Anschlüsse gleich legen, um voraussagen zu können, in welche Richtung der Motor sich drehen wird.

Um den Motor bipolar anzusteuern, werden übrigens die Common-Anschlüsse nicht benötigt.

==Phasenbeschreibung der Ansteuerung==

=== Schema zur Beschreibung der Spulen ===
Zur Beschreibung verwenden wir wieder das folgende Schema der Spulen:

[[Bild:stepperspulen.gif|center]]

===Unipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Unipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 1
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 2b
| bgcolor='#ECF0F6' | Common Spule 2
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 1
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 3
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 4
| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#FFBDBD' align='center' | +
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Vollschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Vollschritt  
|-
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| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
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|-
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|-
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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|-
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|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>
=== Bipolare Ansteuerung Halbschritt ===
<center>
{|cellspacing=1 cellpadding=5 bgcolor=666666
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'| Bipolare Ansteuerung Halbschritt  
|-
| bgcolor='#ECF0F6' |
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1a
| bgcolor='#ECF0F6' | Phase Spule 1b
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|-
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|-
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|-
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|-
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 5
| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 6
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| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 7
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
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| bgcolor='#B0B0D9' align='center' | -
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|-
| bgcolor='#ECF0F6' | Schritt 8
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| bgcolor='#BDBDBD' align='center' | 0
|-
!colspan='7' bgcolor='#ECF0F6'|
- steht für Minus
+ steht für Plus
0 steht für Unbelegt
|-
|}
</center>

===Schrittmotorphasen bildlich dargestellt===

[[Bild:schrittmotorphasenzeichnung.gif|center]]

==Motoren mit 5 Anschlüssen?==
Es gibt auch Schrittmotoren mit 5 Drähten. In diesem Fall sind die mittleren Spulenanzapfungen miteinander verbunden und nur als einzige Leitung herausgeführt (also beide Common-Anschlüsse /siehe Skizze).

[[Bild:stepper5draehte.gif|center]]

In dem Fall kann man den Motor nicht bipolar ansteuern, sondern muss ihn unipolar ansteuern. Mit L297/L298 bzw. RN-Motor usw. wird ein Schrittmotor immer bipolar angesteuert, also kann dafür kein Motor mit 5 Drähten verwendet werden.
Da heutzutage Schrittmotoren bevorzugt bipolar angesteuert werden um maximales Drehmoment (Kraft) zu erreichen, sollte man daher beim Kauf möglichst Motoren mit 4, 6 oder 8 Drähten kaufen.

{|{{Blaueschmaltabelle}}
|'''Merke:'''
Motoren mit 4 Drähten kann man immer nur bipolar ansteuern.
Motoren mit 6 oder 8 Drähten kann man sowohl bipolar als auch unipolar ansteuern. Gewöhnlich werden Motoren heute bevorzugt bipolar angesteuert, weil diese Ansteuerung ein größeres Drehmoment erzeugt.
Bei der bipolaren Ansteuerung in Verbindung mit Stromregelung (wie bei L297/L298 oder RN-Motor etc.) kann die Nennspannung des Motors weit unter der Betriebsspannung liegen.
Bei einer Ansteuerung ohne Stromregelung muss die Nennspannung des Motors in etwa der Betriebsspannung entsprechen (egal ob unipolar oder bipolar Ansteuerung). In diesem Fall ist jedoch das Drehmoment (Kraft) erheblich (deutlich spürbar) geringer.
|}

==Die wichtigsten Daten bei einem Schrittmotor==
Zum besseren Verständnis habe ich die Daten in die Klassen ''Unverzichtbar'', ''Hilfreich'' und ''weniger notwendig'' unterteilt. Diese Unterteilung habe ich vorwiegend im Blick auf Hobby-Anwender und Robotik-Bastler vorgenommen. Es versteht sich von selbst das je nach Vorhaben oder bei industrieller Anwendung eines Motors alle Daten wichtig sein könnten.

===Unverzichtbare Daten===

;Nennstrom: Maximal zulässiger Strom pro Wicklung (Phase). Bei Motoren mit mehreren Wicklungen (also Motoren mit 6 oder 8 Anschlüssen) bezieht sich die Stromangabe auf nur eine Wicklung (unipolare Ansteuerung). Siehe dazu auch das Rechenbeispiel im nächsten Abschnitt.
[[Bild:stepperdaten.png|framed|So sehen die Daten auf einem Motor aus, Hier wird Nennstrom, Nennspannung und Schrittwinkel angegeben]]
;Haltemoment: Bis zu diesem Moment ([[Drehmoment]], also dieser Kraft) kann ein Schrittmotor belastet werden, bis sich die Achse um einen oder mehrere Schritte durch die Belastung verdreht. Diese Angabe gilt für einen stehenden Schrittmotor der unter voller Betriebsspannung steht. Die Angabe gibt somit quasi an wieviel Kraft der Motor besitzt, eine sehr wichtige Angabe.

;Schrittwinkel: Der Schrittwinkel gibt an um wieviel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt bewegt. Dadurch wird also gleichzeitig angegeben, wie viele Schritte ein Motor für eine volle Drehung benötigt. Man teilt einfach 360 Grad durch den Schrittwinkel und erhält die Schrittanzahl. Bei guten Industriemotoren beträgt der Schrittwinkel oft 1,8 Grad, das ergibt also 200 Vollschritte pro Umdrehung. Nutzt man das Halbschrittverfahren zur Ansteuerung, also 400 Schritte. Je mehr Schritte ein Motor besitzt desto genauer kann er natürlich bestimmte Positionen anfahren, zugleich läuft er ruhiger und leiser. Nachteil von hohen Schrittzahlen ist allerdings, dass oft nicht so hohe Drehzahlen erreicht werden können wie bei großen Schrittwinkeln.

;Nennspannung: Die Betriebsspannung, die notwendig ist, um den Nennstrom zu erreichen. Die Nennspanung gilt in der Regel für den stehenden Schrittmotor. Bei drehenden Motoren reduziert sich der Strom durch die Induktivität des Motors, daher könnte dann die Nennspannung mit steigender Drehzahl höher werden. Genau das machen auch moderne Schrittmotoransteuerungen. Darüber haben wir aber oben im Artikel schon ausgiebig gelesen. Steuert man einen Schrittmotor mit konstanter Spannung, so sollte man den Nennspannung verwenden damit der Motor nicht überhitzt.

;Anschlussbelegung: Schrittmotoren haben 4, 6 oder 8 Anschlussdrähte. Daher gehört zu jedem Schrittmotor ein Plan, der Auskunft über interne Verdrahtung der Spulen gibt. Notfalls kann man dieses auch mit Hilfe eines Ohmmeters ermitteln, auch dies wurde oben schon geschildert.

===Hilfreiche Daten===

;Start-Stop Frequenz (fs): Die maximale Frequenz (Geschwindigkeit der Schrittfolge), bei der ein nicht belasteter Schrittmotor anläuft ohne Schritte zu verlieren. Leider findet man auch diese Angabe wohl nur bei etwas teureren Markenmotoren.

;Betriebsmoment: Ähnlich wie das Haltemoment, jedoch wird hier das Moment für den drehenden Schrittmotor angegeben. Da bei Schrittmotoren das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt, reicht hier also kein einzelnen Wert. Daher wird diese Angabe in Form einer Kennlinie, oft mit verschiedenen Betriebsspannungen, dargestellt. Eine solche Kennline haben wir schon im Artikel weiter oben kennengelernt. Sie ist sehr hilfreich um den richtigen Motor für ein Vorhaben zu finden. Man sollte insbesondere darauf achten, dass das Drehmoment bei der maximalen geplanten Drehzahl auch wirklich noch für die Aufgabe ausreichend ist. Leider wird das Betriebsmoment (also diese Kennlinie) bei vielen Motoren (insbesondere bei Angeboten, kleineren Motoren usw.) nicht angegeben. Da der Kennlienienverlauf der Schrittmotoren jedoch eine gewisse Grundähnlichkeit aufweist, kann man in der Praxis deshalb oft auch mit der Angabe des Haltemoments auskommen.

===Weniger oft notwendige Daten===

;Widerstand: Manchmal wird der ohmsche Widerstand der Spule angegeben, allerdings nicht immer. Wenn die Nennspannung und der Nennstrom angebenen sind, so kann man sich den Widerstand nach dem ohmschen Gesetz selbst berechnen (R=U/I). Sind nur die Nennspannung und der Widerstand angegeben, was auch vorkommt, so muss man sich dagegen den Nennstrom selbst ausrechnen (I=U/R). Die Leistungsaufnahme der Wicklung kann man natürlich ebenfalls durch diese Angaben bestimmen (P=I²*R)

;Rastmoment: Das Rastmoment kennt man bei Permanentmagnet- und Hybrid-Schrittmotoren. Es ist beim Drehen des Motors (ohne Spannung) spürbar. Wenn man die Wicklungen kurzschließt, wird dieses erheblich stärker. Dieser Sachverhalt kann auch für eine Bremse ausgenutzt werden.

;Rotorträgheit: Das Massenträgheitsmoment des Rotors. Je größer und schwerer ein Motor bzw. eine Achse wird, desto größer wird die Masse des Rotors, der zusammen mit der Nutzlast beschleunigt werden muss. Je niedriger dieser Wert ist, desto schneller und dynamischer verhält sich der Motor bei Beschleunigungen. Da die Masse des Rotors und der Last ein schwingungsfähiges System bilden, sollte das auf die Motorwelle reduzierte Trägheitsmoment der Last in der selben Größenordnung liegen wie die Rotorträgheit.

==Praxisbeispiel für Stromberechnung==
Soll ein Schrittmotor mit 8 Anschlüssen (4 Wicklungen) bipolaren angesteuertet werden, so hat man die Wahl jeweils zwei Spulen parallel oder in Reihe zu schalten. Die Stromangaben auf dem Motor beziehen sich in der Regel auf eine Phase, also eine Wicklung. Angenommen wir haben einen Motor mit folgender Beschriftung:

[[Bild:stepperdaten.png|framed|Auf einem Foto könnte das so aussehen]]

* Nennspannung: 5,1 V
* Phasenstrom: 1,0 A
* Anschluß: 8 Drähte = wahlweise unipolar oder bipolar
* Schrittwinkel 1,8 Grad / 200 Schritte pro Umdrehung
* Haltekraft: ca. 50 Ncm
* Wellendurchmesser: 6 mm

Möchte man die Spulen in Reihe schalten, so muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2) verringert werden damit der Motor nicht zu heiß wird.
In unserem Beispiel müsste also 1A / 1,41 = '''0,792A''' fließen. Bei einer Chopper-Regelung (Stromregelung) müsste man somit 0,79A einstellen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Reihenschaltung verdoppelt, benötigt man auch eine höhere Spannung. Anhand des ohmischen Widerstandes, der sich messen oder berechnen läßt, kann man in etwa die notwendige Mindestspannung berechnen. Wenn bei 5,1V ein Strom von 1 A fließt, so müsste der ohmische Widerstand R=U/i = 5,1V / 1 = '''5,1 Ohm''' betragen. Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung wäre demnach 10,2 Ohm. Wenn wir den Strom von 0,79A erreichen wollen, so müsste U=I*R = 0,79*10,2 = '''8,06V''' vorhanden sein. Das wäre aber nur die Mindestspannung, also die Spannung die man ohne Stromregelung auch konstant anlegen könnte. Nutzt man jedoch eine Stromregelung so müssen natürlich Regelreserven vorhanden sein. Zudem müssten die Schaltungsverluste der Chopperregelung berücksichtigt werden. Daher verwendet man eine deutlich höhere Spannung. 12V bis 24 V wären in dem Beispiel durchaus angebracht. Je höher desto besser, denn so kann bei hohen Drehzahlen der Strom schneller dem induktiven Widerstand entgegenwirken und das Drehmoment fällt nicht mehr so stark bei steigenden Drehzahlen ab. Das Drehmoment erhöht sich im übrigen bei der Reihenschaltung ebenfalls in etwa um den Faktor 1,41 (Wurzel aus 2).

Bei der Parallelschaltung von zwei Spulen ist es genau umgekehrt. Hier muss der Strom in etwas um den Faktor 1,41 erhöht werden. Also 1A * 1,41 = 1,41 A sollten hier fließen. Da sich der ohmische Widerstand durch die Parallelschaltung halbiert, also in unserem Fall auf 2,55 Ohm, ist natürlich auch eine niedrigere Spannung notwendig. Die Berechnung wäre also U=I*R = 1,41A * 2,55 = 3,6V
Auch da sist wieder die Mindestspannung die auch als Konstantspannung angelegt werden darf. Auch hier muss bei der Chopper-Regelung (Stromregelung) eine höhere Spannung angelegt werden. Mit Werten zwischen ca. 8 und 16V würde man jetzt aber schon sehr gute Ergebnisse erzielen. Auch in diesem Beispiel würde sich das Drehmoment in etwa um den Faktor 1,41 erhöhen.

Problematisch kann bei der Parallelschaltung mancher Motoren der niedrige ohmsche Widerstand werden. Nicht jede Motorregelung/Motortreiber macht das mit. Aus diesem Grund werden sicherlich Reihenschaltungen in der Praxis bevorzugt eingesetzt.

==Autor==
* Frank

==Siehe auch==
* [[Chopper Betrieb]]
* [[Getriebemotoren Ansteuerung]]
* [[Getriebemotoren]]

==Weblinks==
Hier noch ein paar Links, wenn ihr euch noch eingehender mit dem Thema befassen wollt:
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 L298 und L297 Datenblatt]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnstepp297.pdf Doku zum Bausatz / Platine für L297/L298 Schaltung]
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial.html Robotertutorial (Projekt mit Schrittmotor)]
* [http://www.roboternetz.de/wissen/images/a/a2/Schrittmotorphasentabelle.gif Phasentabelle als Grafik]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/index.php?cPath=65&osC L297/L298 Bauteilesortiment + Schrittmotoren]
* [http://www.robotikhardware.de/download/rnschrittmotor.pdf Bequeme Schrittmotoransteuerung über RS232 , I2C und Takt mit RN-Schrittmotor]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=21730 800mA I2C Schrittmotorsteuerung mit Trinamic TMC222]
* [http://www.nanotec.de/ Nanotec]
* [http://www-users.rwth-aachen.de/thorsten.ostermann/schritt/sm_faq.htm Schrittmotor_Faq]
* [http://www.wolfgang-back.com/schrittmotor_demo.php Wolfgang Backs Seite]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/motordrehmoment.php Automatische Berechnung der Robotergeschwindigkeit und Drehmoment bei unterschiedlichen Motoren]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=284 Schaltung mit L297/L298 Protobed_StepM_297-298]

* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=733 Roboternetz-Forum Thread L297/L298]
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=2741 Roboternetz-Forum Thread zum RNST01/RN-Motor]

'''Englische Links'''
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf Stepping Motors Fundamentals (enthält INFOs über Microstepping)]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ Control of stepping motors (gutes Tutorial)]
* [http://library.solarbotics.net/pdflib/pdf/drive.pdf Drive motor circuit basics]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05004.pdf Half stepping techniques]
* [http://www.njr.co.jp/pdf/ee/ee05005.pdf Microstepping ]
* [http://www.compumotor.com/catalog/cataloga/A29-A30.pdf Microstepping drive technology]

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