Schrittmotoren sind als Aktuatoren Schlüsselprodukte der Mechatronik und finden breite Anwendung in verschiedenen automatisierten Steuerungssystemen. Mit der Weiterentwicklung der Mikroelektronik und Computertechnologie steigt die Nachfrage nach Schrittmotoren stetig, und sie werden in diversen Wirtschaftszweigen eingesetzt. Ein Schrittmotor ist ein Aktor, der elektrische Impulse in eine Winkelbewegung umwandelt. Empfängt ein Schrittmotortreiber ein Impulssignal, steuert er den Schrittmotor an, sich um einen festen Winkel (den sogenannten Schrittwinkel) in eine vorgegebene Richtung zu drehen. Die Drehung erfolgt schrittweise um feste Winkel. Die Größe der Winkelbewegung lässt sich durch die Anzahl der Impulse steuern, wodurch eine präzise Positionierung erreicht wird. Gleichzeitig können Drehzahl und Beschleunigung des Motors durch die Impulsfrequenz geregelt werden, was eine Drehzahlregelung ermöglicht. Schrittmotoren eignen sich aufgrund ihrer fehlerfreien Arbeitsweise (100% Genauigkeit) auch hervorragend als Spezialmotoren für die Steuerung und werden daher häufig in offenen Regelkreisen eingesetzt. Gängige Schrittmotorentypen sind reaktive Schrittmotoren (VR), Permanentmagnet-Schrittmotoren (PM), Hybrid-Schrittmotoren (HB) und Einphasen-Schrittmotoren. Permanentmagnet-Schrittmotoren sind in der Regel zweiphasig, haben ein geringeres Drehmoment und eine kleinere Baugröße sowie einen typischen Schrittwinkel von 7,5° oder 15°. Reluktanz-Schrittmotoren sind in der Regel dreiphasig, liefern ein hohes Drehmoment und haben einen typischen Schrittwinkel von 1,5°, erzeugen aber deutlich mehr Geräusche und Vibrationen. Der Rotor eines Reluktanz-Schrittmotors besteht aus weichmagnetischem Material, und der Stator verfügt über mehrphasige Erregerwicklungen, die durch Änderungen der magnetischen Permeabilität ein Drehmoment erzeugen. Hybrid-Schrittmotoren vereinen die Vorteile von Permanentmagnet- und Reluktanzmotoren. Sie werden weiter in zweiphasige und fünfphasige Motoren unterteilt: Zweiphasige Motoren haben typischerweise einen Schrittwinkel von 1,8°, fünfphasige einen von 0,72°. Dieser Schrittmotortyp ist am weitesten verbreitet und wurde für dieses segmentierte Antriebsschema ausgewählt. Einige grundlegende Parameter eines Schrittmotors: Eigenschrittwinkel: Dieser Wert gibt den Drehwinkel des Motors bei jedem vom Steuerungssystem gesendeten Schrittimpuls an. Der Motor wird mit einem voreingestellten Schrittwinkelwert ausgeliefert, z. B. 0,9°/1,8° beim Modell 86BYG250A (0,9° für Halbschrittbetrieb und 1,8° für Vollschrittbetrieb). Dieser Schrittwinkel wird als „Eigenschrittwinkel des Motors“ bezeichnet, entspricht aber nicht unbedingt dem tatsächlichen Schrittwinkel im Betrieb. Der tatsächliche Schrittwinkel hängt vom Treiber ab. Die Phasenanzahl eines Schrittmotors bezieht sich auf die Anzahl der Spulengruppen im Inneren. Gängige Schrittmotoren sind zwei-, drei-, vier- und fünfphasig. Unterschiedliche Phasenanzahlen führen zu unterschiedlichen Schrittwinkeln. Im Allgemeinen weisen Zweiphasenmotoren einen Schrittwinkel von 0,9°/1,8°, Dreiphasenmotoren 0,75°/1,5° und Fünfphasenmotoren 0,36°/0,72° auf. Ohne Mikroschritttreiber wählen Anwender hauptsächlich Schrittmotoren mit unterschiedlicher Phasenanzahl, um die gewünschten Schrittwinkel zu erreichen. Mit einem Mikroschritttreiber verliert die Phasenanzahl ihre Bedeutung; der Schrittwinkel lässt sich einfach durch Ändern der Mikroschritteinstellung am Treiber anpassen. Haltemoment: Dies bezeichnet das Drehmoment, mit dem der Stator den Rotor blockiert, wenn der Schrittmotor bestromt, aber nicht rotierend ist. Es ist einer der wichtigsten Parameter eines Schrittmotors, und das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen liegt üblicherweise nahe am Haltemoment. Da das Ausgangsdrehmoment eines Schrittmotors mit steigender Drehzahl abnimmt und sich auch die Ausgangsleistung mit der Drehzahl ändert, ist das Haltemoment einer der wichtigsten Parameter zur Bewertung eines Schrittmotors. Wenn beispielsweise von einem 2-Nm-Schrittmotor die Rede ist, ist damit – sofern nicht anders angegeben – ein Schrittmotor mit einem Haltemoment von 2 Nm gemeint. Rastmoment: Dies bezeichnet das Drehmoment, mit dem der Stator den Rotor blockiert, wenn der Schrittmotor nicht bestromt ist. In China gibt es keine einheitliche Bezeichnung für Rastmoment, was leicht zu Missverständnissen führen kann. Da der Rotor eines reaktiven Schrittmotors nicht aus Permanentmagnetmaterial besteht, besitzt er kein Rastmoment. Einige Merkmale von Schrittmotoren: 1. Die Genauigkeit eines typischen Schrittmotors beträgt 3–5 % des Schrittwinkels und ist nicht kumulativ. 2. Die maximal zulässige Temperatur der Motoroberfläche hängt vom Entmagnetisierungspunkt des Magnetmaterials ab. Zu hohe Temperaturen führen zunächst zur Entmagnetisierung des Motormaterials, was zu einem Drehmomentabfall und sogar zu Schrittverlusten führen kann. Im Allgemeinen liegt der Entmagnetisierungspunkt magnetischer Materialien über 130 °C, manche erreichen sogar über 200 °C. Daher ist eine Oberflächentemperatur von 80–90 °C bei einem Schrittmotor völlig normal. 3. Das Drehmoment eines Schrittmotors nimmt mit steigender Drehzahl ab. Beim Drehen eines Schrittmotors erzeugt die Induktivität jeder Phasenwicklung eine Gegen-EMK. Je höher die Frequenz, desto größer die Gegen-EMK. Unter deren Einfluss sinkt der Phasenstrom mit steigender Frequenz (bzw. Drehzahl), was zu einem Drehmomentabfall führt. 4. Ein Schrittmotor kann bei niedrigen Drehzahlen normal laufen, oberhalb einer bestimmten Drehzahl startet er jedoch nicht mehr und gibt ein pfeifendes Geräusch von sich. Ein wichtiger technischer Parameter von Schrittmotoren ist die Leerlauf-Anlauffrequenz. Dies ist die Impulsfrequenz, bei der der Schrittmotor im Leerlauf normal anläuft. Ist die Impulsfrequenz höher als dieser Wert, startet der Motor nicht ordnungsgemäß und es kann zu Schrittaussetzern oder Blockieren kommen. Unter Last sollte die Anlauffrequenz noch niedriger sein. Um eine hohe Drehzahl zu erreichen, muss die Pulsfrequenz beschleunigt werden, d. h. sie beginnt mit einer niedrigen Frequenz, die allmählich auf die gewünschte hohe Frequenz ansteigt (Motordrehzahl steigt von niedrig auf hoch). Schrittmotoren spielen aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften eine entscheidende Rolle im Zeitalter der digitalen Fertigung. Mit der Weiterentwicklung verschiedener digitaler Technologien und der Verbesserung der Schrittmotortechnologie selbst werden Schrittmotoren in noch mehr Bereichen eingesetzt.